ARM体系结构PPT学习课件

2020 4 19 第2章ARM体系结构 1 2020 4 19 教学要求 掌握嵌入式系统硬件平台理解ARM体系结构和指令集 2 2020 4 19 本章内容 2 1嵌入式系统硬件平台2 2嵌入式微处理器2 3ARM微处理器体系结构 3 2020 4 19 2 1嵌入式系统硬件平台 4 2020 4 19 1 嵌入式处理器 嵌入式处理器的组成处理器内核地址总线数据总线控制总线片上I O接口电路及辅助电路 5 2020 4 19 2 嵌入式系统中的存储设备 RAM SRAM DRAMRAM即是我们通常所说的内存 RAM又可分为SRAM 静态存储器 和DRAM 动态存储器 Flash一种非易失闪存 它具有和ROM一样掉电后数据不会丢失的特性 Flash是目前嵌入式系统中广泛采用的主流存储器主要特点是按整体 扇区擦除和按字节编程 具有低功耗 高密度 小体积等优点 6 2020 4 19 Flash NORFlashNANDFlash 7 2020 4 19 NORFlash 在芯片内执行 可以直接读取芯片内储存的数据 因而速度比较快 应用程序直接在Flash内运行 不必把代码读到系统RAM中运行地址线与数据线分开 可以以 字 为基本单位操作写操作需要擦除和写入两个过程 每次擦除只能擦除一个扇区 不能逐个字节擦除擦除速度慢 以64 128KB的块为单位主要用于代码存储介质中最大可擦写次数10万次 8 2020 4 19 NANDFlash 不能直接在Flash内运行应用程序 需要将数据复制到RAM中运行 读写操作采用512字节的块 成本低 地址线 数据线共用 内部数据以块为单位进行存储 擦除速度快 以8 32KB的块为单位容量大 适合数据存储 每个块的最大可擦写次数超过100万次 9 2020 4 19 3 JTAG接口 JTAG JointTestActionGroup 联合测试行动小组 是一种国际标准测试协议 IEEE1149 1兼容 主要用于芯片内部测试 10 2020 4 19 经常用简易JTAG接口直接烧写嵌入式系统Flash存储器 这种烧写方式是通过一根并口电缆和一块信号转换集成电路板以建立PC机与开发板之间的通信 11 2020 4 19 2 2嵌入式微处理器 2 2 1嵌入式处理器的分类2 2 2嵌入式微处理器的选择原则2 2 3典型的嵌入式微处理器 12 2020 4 19 2 2 1嵌入式处理器的分类 13 2020 4 19 嵌入式微处理器 将微处理器装配在专门设计的印制电路板上 只保留和嵌入式应用精密相关的功能硬件 去除其它冗余的功能部件 配上必要的外围扩展电路 大幅减少系统的体积和功耗 主流的嵌入式微处理器ARMMIPSPowerPCX86等 14 2020 4 19 嵌入式微控制器 最初的表现形式是单片机将整个计算机系统的主要硬件集成到一块芯片上 主流的MCUMCS51P51XAMCS 251等 15 2020 4 19 嵌入式数字信号处理器 应用于多媒体信号处理和各种带有智能逻辑的消费类产品的处理器必须具有能够执行数字信号处理算法和编译效率较高的特性代表性的DSP产品TI公司的TMS320系列Motorola公司的DSP5600系列 16 2020 4 19 嵌入式片上系统 从整个系统的功能和性能出发 用软硬件结合的设计和验证方法 将微处理器核和存储器等集成在单一芯片上 SoC可分为2类通用 Infineon公司的TriCore Motorola公司的M Core 某些ARM系列器件及Echelon公司和Motorola公司联合研制的Neuron芯片专用 Philips公司的SmartXA 17 2020 4 19 2 2 2嵌入式微处理器的选择原则 18 2020 4 19 2 2 2嵌入式微处理器的选择原则 1 选择哪一类处理单元2 选择哪个厂商的产品 19 2020 4 19 2 2 2嵌入式微处理器的选择原则 低成本低功耗恰当的处理能力技术指标调查市场上已有的CPU供应商合适的嵌入式操作系统支持与原有产品的兼容编程语言的限制上市时间处理器供应商是否提供开发板 20 2020 4 19 2 2 3典型的嵌入式微处理器 ARM处理器PowerPC处理器FPGA FieldProgrammableGateArray现场可编程门阵列 SoC SystemonChip 21 2020 4 19 2 3ARM体系结构和指令集 2 3 1ARM公司简介2 3 2ARM系列微处理器2 3 3ARM体系结构和指令集 22 2020 4 19 2 3 1ARM公司简介 ARM AdvancedRISCMachines 既可以认为是一个公司的名字 也可以认为是对一类微处理器的通称 还可以认为是一种技术的名字 ARM公司是专门从事基于RISC技术芯片设计开发的公司 作为知识产权供应商 本身不直接从事芯片生产 靠转让设计许可 由合作公司生产各具特色的芯片 23 2020 4 19 2 3 2ARM系列微处理器 ARM7系列 ARM9 9E系列 ARM10E系列 SecurCore系列 Intel的Xscale Intel的StrongARM 24 2020 4 19 ARM系列处理器属性比较 项目ARM7ARM9ARM10ARM11流水线深度3级5级6级8级典型频率 MHz 80150260335功耗 mw MHz 0 060 19 cache 0 5 cache 0 4 cache MIPS MHz0 971 11 31 2架构冯 诺依曼哈佛哈佛哈佛 25 2020 4 19 哈佛总线体系结构 冯 诺依曼结构 26 2020 4 19 嵌入式RISC和CISC微处理器 RISC ReducedInstructionSetComputer 精简指令集计算机 重点是如何使计算机的结构更加简单和如何使计算机的处理速度更加快速 代表性的通用系列有Atmel公司的AT91系列 三星公司的S3C系列 Marvell公司的PXA系列等CISC的基础是CPU在不同应用中将微处理器装配在专门设计的电路板上 只保留和嵌入式应用有关的功能 可减小系统体积和功耗 主要有Intel公司的x86系列 27 2020 4 19 RISC的特点 采用固定长度的指令格式使用单周期指令 便于流水线操作执行大量使用寄存器 28 2020 4 19 RISC和CISC之间主要的区别 指标RISCCISC指令集一个周期执行一条指令 指令长度不固定 通过简单指令的组合实现执行需要多个周期复杂操作 指令长度固定流水线流水线每周期前进一步指令的执行需要调用微代码的一个微程序寄存器更多通用寄存器专用寄存器Load Store结构独立的Load和Store指令处理器能够直接处完成数据在寄存器和外部理存储器中的数据存储器之间的传输 29 2020 4 19 ARM设计思想 1 ARM微处理器被设计成较小的核 降低功耗 延长电源的使用时间 2 存储量有限 这就要求嵌入式系统需要使用高密度代码 3 嵌入式系统对成本敏感 一般选用速度不高 成本较低的存储器 以降低系统成本 4 ARM内核不是一个纯粹的RISC体系结构 这是为使它能够更好地适应其嵌入式的应用领域 对嵌入式系统的应用项目来说 系统的关键并不单纯在于微处理器的速度 而在于系统性能 功耗和成本 30 2020 4 19 2 3 3ARM体系结构和指令集 1 ARM体系结构的特点2 ARM处理器工作模式3 寄存器组织4 ARM处理器的寻址方式5 ARM处理器的指令集 31 2020 4 19 1 ARM体系结构的特点 ARM内核采用RISC体系结构主要特征 大量的寄存器Load Store体系结构每条指令都条件执行多寄存器的Load Store指令 32 2020 4 19 2 ARM处理器工作模式 工作模式简写描述用户模式 User usr正常程序执行模式快速中断模式fiq一个高优先级中断产生时进入该 FIQ 模式 用于高速数据传输和通道外部中断模式irq一个低优先级中断产生时进入该 IRQ 模式 用于通常的中断处理特权模式 管理模式 svc复位或软中断指令执行时进入该 Supervisor 模式 操作系统使用的保护模式中止模式abt存取异常时进入该模式 用于虚 Abort 拟存储或存储保护未定义指令中止模式und执行未定义指令时进入该模式 Undef 用于通过软件仿真协处理器系统模式 System sys使用和User模式相同寄存器集的模式 运行特权级操作系统任务 除用户模式以外的其他6种处理器模式称为特权模式 其中快速中断模式 外部中断模式 特权模式 数据访问中止模式 未定义指令中止模式称为异常模式 33 2020 4 19 3 寄存器组织 34 2020 4 19 1 通用寄存器R0 R15 未备份寄存器 theunbankedregister R0 R7没有被系统用于特殊的用途 而且在各模式下它们对应同一个物理寄存器备份寄存器 thebankedregister R8 R14R8 R12对应两组物理寄存器R13 R14除了系统模式和用户模式共用一组物理寄存器外 其余模式都有各自的物理寄存器R15 程序计数器PC 用于标识下一条将要执行指令的地址 35 2020 4 19 2 状态寄存器CPSR SPSR 当前程序状态寄存器 CurrentProgramStatusRegister CPSR 在任何模式下都可以被访问 它包含了条件标志位 中断标志位 当前处理器模式 以及其它的一些状态和控制位备份程序状态寄存器 SavedProgramStatusRegister SPSR 在每种异常模式下都对应一个物理寄存器 当有异常中断发生时 它用于保存CPSR的内容 以便异常返回后恢复异常中断发生前的工作状态 36 2020 4 19 4 ARM处理器的寻址方式 立即寻址 要操作的数据直接包含在指令中寄存器直接寻址 要操作的数据存放在寄存器中寄存器间接寻址 寄存器中存放操作数的地址 操作数存放在内存中基址寻址 操作数的地址是基址寄存器的内容与指令中给出的指令地址的和寄存器移位寻址 第2个寄存器操作数与第1个操作数结合之前 选择进行移位操作多寄存器寻址 在寄存器和存储器之间进行数据传送 一次可以传送多个寄存器值堆栈寻址 对堆栈空间进行存取操作 一个可以操作多个存储器单元 37 2020 4 19 5 ARM处理器的指令集 ARM处理器支持双指令集32位的ARM指令集16位的Thumb指令集ARM指令集数据处理指令跳转指令存储器操作指令程序状态寄存器传输指令异常中断指令协处理器传输指令 38 2020 4 19 ARM9微处理器结构的最小系统 嵌入式微处理器芯片自己是不能独立工作的 需要一些必要的外围