ARM微处理器体系结构PPT课件.ppt

嵌入式系统原理及应用 第三讲 ARM微处理器体系结构 1 ARM微处理器体系结构 学习目的了解ARM微处理器体系架构特点重点掌握ARM7TDMI微处理器内部结构和工作原理 2 ARM简介 1991年ARM公司成立于英国剑桥 主要出售芯片设计技术的授权 ARM微处理器的特点采用RISC架构的ARM微处理器一般具有如下特点 1 体积小 低功耗 低成本 高性能 2 支持Thumb 16位 ARM 32位 双指令集 能很好的兼容8位 16位器件 3 大量使用寄存器 指令执行速度更快 4 大多数数据操作都在寄存器中完成 5 寻址方式灵活简单 执行效率高 6 指令长度固定 3 ARM微处理器体系结构 OutLineARM7TDMI系列微处理器内部构成及内部数据通路寄存器组和7种基本工作模式ARM指令系统和Thumb指令系统特点指令流水线系统存储空间外部接口JTAG可在线调试接口其它ARM系列微处理器 4 ARM7TDMI系列微处理器 T Thumb架构扩展 提供两个独立的指令集 ARM指令集Thumb指令集两种运行状态 用来选择哪个指令集被执行D 内核具有Debug扩展结构M 增强乘法器 32 8 支持64位结果I EmbeddedICE逻辑 5 ARM7TDMI系列微处理器 3级流水线冯 诺伊曼架构CPI CyclePerInstruction 约1 9 6 ARM7TDMI系列微处理器 特例ARM710T ARM720T ARM740T8Kcache mmu 写缓冲ARMTDMI S软核ARM7EJ SJazelleJava加速技术 增强的DSP指令系统 5级流水线SecurCoreSC100安全的存储器保护单元 7 ARM微处理器体系结构 OutLineARM7TDMI系列微处理器内部构成及内部数据通路寄存器组和7种基本工作模式ARM指令系统和Thumb指令系统特点指令流水线系统存储空间外部接口JTAG可在线调试接口其它ARM系列微处理器 8 内部构成及内部数据通路 内部构成 9 Review 普林斯顿体系与哈佛体系 普林斯顿体系结构 Princetionarchitecture 也称为冯 诺依曼 VonNeumann 结构使用单一处理部件来完成计算 存储及通信工作使用线性组织的定长存储单元来存储程序 存储时对指令和数据不加区别存储空间的单元是直接寻址的使用二进制机器语言 其指令完成基本操作码的简单操作对计算进行集中的顺序的控制 10 Review 普林斯顿体系与哈佛体系 哈佛体系结构 Harvardarchitecture 主要特点是把指令和数据分开进行存储在单一的主存储器情况下 带有两个分离的指令高速缓存 instructioncache 和数据高速缓存 datacache 11 内部构成及内部数据通路 内部数据通路 12 字节旋转 符号扩展 指令递增 寄存器Bank 数据递增 双向缓冲器 字节 半字节复制 MU逻辑 13 ARM微处理器体系结构 OutLineARM7TDMI系列微处理器内部构成及内部数据通路寄存器组和7种基本工作模式ARM指令系统和Thumb指令系统特点指令流水线系统存储空间外部接口JTAG可在线调试接口其它ARM系列微处理器 14 寄存器组和7种基本工作模式 ARM处理器共有37个寄存器 被分为若干个组 BANK 1个PC programcounter 寄存器R151个CPSR currentprogramstatusregister 寄存器5个SPSR savedprogramstatusregisters 寄存器1组通用寄存器r0 r72组通用寄存器r8 r12 FIQ模式独立使用1组 6个SP stackpointer 寄存器r136个LR linkregister 寄存器r14 15 寄存器组和7种基本工作模式 ARM有7个基本工作模式 User 非特权模式 大部分任务工作在这个模式FIQ 当一个高优先级 fast 中断产生时将会进入这种模式IRQ 当一个低优先级 normal 中断产生时将会进入这种模式Supervisor 当复位或软中断指令执行时将进入这个模式Abort 当存取异常时进入这种模式Undef 当执行未定义指令时会进入这种模式System 使用和User模式相同寄存器集的特权模式 16 ARM微处理器体系结构 OutLineARM7TDMI系列微处理器内部构成及内部数据通路寄存器组和7种基本工作模式ARM指令系统和Thumb指令系统特点指令流水线系统存储空间外部接口JTAG可在线调试接口其它ARM系列微处理器 17 ARM和Thumb指令系统 ARM存储器访问指令ARM数据处理指令乘法指令跳转指令ARM协处理器指令ARM杂项指令 18 ARM和Thumb指令系统 Thumb指令可以看作是ARM指令压缩形式的子集具有16位的代码密度Thumb不是一个完整的体系结构 只需要支持通用功能 必要时可以借助于完善的ARM指令集在编写Thumb指令时 先要使用伪指令CODE16声明 而且在ARM指令中要使用BX指令跳转到Thumb指令 以切换处理器状态 编写ARM指令时 则可使用伪指令CODE32声明 19 ARM和Thumb指令系统 Thumb指令集没有协处理器指令 信号量指令以及访问CPSR或SPSR的指令没有乘加指令及64位乘法指令等 且指令的第二操作数受到限制 除了跳转指令B有条件执行功能外 其它指令均为无条件执行大多数Thumb数据处理指令采用2地址格式 20 ARM和Thumb指令系统 Thumb指令集与ARM指令的区别一般有如下几点 跳转指令程序相对转移 特别是条件跳转与ARM代码下的跳转相比 在范围上有更多的限制 转向子程序是无条件的转移 数据处理指令在大多数情况下 操作的结果须放入其中一个操作数寄存器中 而不是第3个寄存器中数据处理操作比ARM状态的更少 访问寄存器R8 R15受到一定限制 21 ARM微处理器体系结构 OutLineARM7TDMI系列微处理器内部构成及内部数据通路寄存器组和7种基本工作模式ARM指令系统和Thumb指令系统特点指令流水线系统存储空间外部接口JTAG可在线调试接口其它ARM系列微处理器 22 指令流水线系统 ARM7TDMI采用3级流水线取指从存储器中读取指令解码解码指令中用到的寄存器执行寄存器读 写 移位及ALU操作PC始终指向正在被取指的指令 而非正在执行的指令 23 指令流水线系统 指令分解 FETCH DECODE EXECUTE MEMORY WRITEBACK LINKRET EXECUTEIRQ DECODEIRQ 24 指令流水线系统 最佳流水线 25 指令流水线系统 LDR流水线 CycleOperationADDSUBLDRANDORREOR 123456789 26 指令流水线系统 分支流水线 27 指令流水线系统 中断流水线 CycleAddrOperation0 x8000ADD0 x8004SUB0 x8008MOV0 x800CX0 x0018B0 xAF000 x001CX0 x0020X0 xAF00STMFD 123456789 F D E IRQ F DI EI L A F F F D E F D F F D E 28 ARM微处理器体系结构 OutLineARM7TDMI系列微处理器内部构成及内部数据通路寄存器组和7种基本工作模式ARM指令系统和Thumb指令系统特点指令流水线系统存储空间外部接口JTAG可在线调试接口其它ARM系列微处理器 29 存储空间 存储周期内部周期内核不要求地址转换非连续的周期地址转换与前一周期的地址不相关连续的周期地址可以相同 也可以比前一地址大一字或半字协处理器寄存器传输周期不要求存储系统任何动作存储地址对齐 字节半字字大端模式 Big endian 与小端模式 Little endian 地址空间单一的和平板地址空间32根地址线 寻址空间可达到4GB 30 ARM微处理器体系结构 OutLineARM7TDMI系列微处理器内部构成及内部数据通路寄存器组和7种基本工作模式ARM指令系统和Thumb指令系统特点指令流水线系统存储空间外部接口JTAG可在线调试接口其它ARM系列微处理器 31 外部接口 32 外部接口 电源VDDVSS 33 外部接口 处理器模式Nm 4 0 34 外部接口 总线控制nRESET 35 外部接口 时钟MCLK formemorynWAIT forbuscycleextendedECLK outputforexternalsystem 36 外部接口 存储器接口 Theaddressclasssignals A 31 0 nRW MAS 1 0 nOPC nTRANS LOCK TBIT 37 外部接口 存储器接口 Addresstimingpipelined 38 外部接口 存储器接口 Addresstimingdepipelined 39 外部接口 存储器接口 AddresstimingSRAMcompatible 40 外部接口 存储器接口Thememoryrequestsignals nMREQ SEQ Thedatatimedsignals D 31 0 DIN 31 0 DOUT 31 0 ABORT BL 3 0 41 外部接口 输出控制信号 42 外部接口 BytelatchenablesBL 3 controlsthelatchingofthedatapresentonD 31 24 BL 2 controlsthelatchingofthedatapresentonD 23 16 BL 1 controlsthelatchingofthedatapresentonD 15 8 BL 0 controlsthelatchingofthedatapresentonD 7 0 43 外部接口 存储器接口 存储器周期 44 外部接口 存储器接口 简单的存储器周期 45 外部接口 存储器接口 非连续周期 46 外部接口 存储器接口 连续周期 47 外部接口 存储器接口 内部周期 48 外部接口 存储器接口 内部周期 49 外部接口 存储器接口 协处理器周期 50 外部接口 存储器接口 存储器周期小结 51 外部接口 中断nFIQnIRQISYNC 52 外部接口 协处理器接口Theclockandclockcontrolsignals MCLK nWAIT nRESET Thepipelinefollowingsignals nMREQ SEQ nTRANS nOPC TBIT Thehandshakesignals nCPI CPA CPB Thedatasignals D 31 0 DIN 31 0 DOUT 31 0 53 外部接口 协处理器 54 ARM微处理器体系结构 OutLineARM7TDMI系列微处理器内部构成及内部数据通路寄存器组和7种基本工作模式ARM指令系统和Thumb指令系统特点指令流水线系统存储空间外部接口JTAG可在线调试接口其它ARM系列微处理器 55 JTAG可在线调试接口 调试系统 56 JTAG可在线调试接口 Debugtarget 57 JTAG可在线调试接口 调试接口信号BREAKPTandDBGRQsystemrequestsfortheprocessortoenterdebugstateDBGACKindicatethatthecoreisindebugstate 58 JTAG可在线调试接口 Debugstateentry 59 JTAG可在线调试接口 时钟切换 60 JTAG可在线调试接口 EmbeddedICELogictworeal timewatchpointunitstwoindependentregistersdebugcontrolregisterdebugstatusregister DebugCommunicationsChannel DCC 61 JTAG可在线调试接口 ScanchainsandJTAGinterfaceScanchain0enablesaccesstotheentireperipheryoftheARM7TDMIcore includingthedatabus Thescanchainfunctionsenableinter devicetesting EXTEST andserialtestingofthecore INTEST Theorderofthescanchain fromsearchdataintoout is 1 Databusbits0to31 2 Thecontrolsignals 3 Addressbusbits31to0 A 0 isscannedoutfirst 62 JTAG可在线调试接口 ScanchainsandJTAGinterfaceScanchain1Scanchain1isasubsetofscanchain0 ItprovidesserialaccesstothecoredatabusD 31 0 andtheBREAKPTsignal Thereare33bitsinthisscanchain theorderfromserialdataintoserialdataout is 1 Databusbits0to31 2 TheBREAKPTbit thefirsttobeshiftedout 63 JTAG可在线调试接口 ScanchainsandJTAGinterfaceScanchain2Scanchain2enablesaccesstotheEmbeddedICELogicregisters RefertoTestdata 64 ARM微处理器体系结构 OutLineARM7TDMI系列微