嵌入式系统原理与开发

1、嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系 嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系 嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系 嵌入式系统原理与开

2、发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*

3、工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学

4、院网络工程系工程学院网络工程系 嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系 嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系 嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系 嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系 消费娱乐产品消费娱乐产品 数字影像产品数字影像产品 军事电子军事电子工业控制产品工业控制产品 移动存贮移动存贮无线产品无线产品 存储产品存储产品 汽车产品汽车产品 网络产品网络

5、产品 安全产品安全产品 嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系 嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系 嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系 MIPS是是Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages的缩写，即的缩写，即“无无内部互锁流水级的微处内部互锁流水级的微处理器理器”。 MIPS的机制是尽量利用软件办法避免流水线中的数据的机制是尽量利用软件办法避免流水线中的数

6、据相关问题，最早在相关问题，最早在80年代初期由斯坦福（年代初期由斯坦福（Stanford）大）大学学Hennessy教授领导的研究小组研制出来的。教授领导的研究小组研制出来的。 嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系在嵌入式应用方面，在嵌入式应用方面，MIPS系列微处理器是目前仅次于系列微处理器是目前仅次于ARM的使用最广泛的处理器之一，其应用领域覆盖机顶的使用最广泛的处理器之一，其应用领域覆盖机顶盒、游戏机、路由器、激光打印机、掌上电脑等各个方面。盒、游戏机、路由器、激光打印机、掌上电脑等各个方面。 MIPS的系统结构及设计理念比较

7、先进，强调软硬件协的系统结构及设计理念比较先进，强调软硬件协同提供性能，同时简化硬件设计。同提供性能，同时简化硬件设计。 MIPS IDF(MIPS Integrated Development Framework)集成开发工具，特别适用于嵌入式系统的开集成开发工具，特别适用于嵌入式系统的开发。发。 嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系 Sparc处理器是由著名的处理器是由著名的Sun公司自行研发的微处理器公司自行研发的微处理器芯片。芯片。 Sun在在64位位UltraSparc处理器方面，主要有处理器方面，主要有3个系列：个系列：可

8、扩展的可扩展的s系列系列主要用于高性能、易扩展的多处理器系统；主要用于高性能、易扩展的多处理器系统；集成式集成式i系列系列将多种系统功能集成在一个处理器上，为单将多种系统功能集成在一个处理器上，为单处理器系统提供了更高的效益；处理器系统提供了更高的效益；嵌入式嵌入式e系列系列为用户提供为用户提供理想的性能价格比，其嵌入式应用包括瘦客户机、电缆调理想的性能价格比，其嵌入式应用包括瘦客户机、电缆调制解调器和网络接口等。制解调器和网络接口等。 嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系 龙芯一号处理器是神州龙芯公司推出的兼顾通用及嵌入龙芯一号处理

9、器是神州龙芯公司推出的兼顾通用及嵌入式处理器特点的新一代式处理器特点的新一代32位处理器。位处理器。 龙芯一号的投片成功，并通过了以龙芯一号的投片成功，并通过了以SPEC CPU2000为为代表的一批性能和功能测试程序的严格测试，标志着我国代表的一批性能和功能测试程序的严格测试，标志着我国在现代通用微处理器设计方面实现了在现代通用微处理器设计方面实现了零零的突破，的突破， 打破了打破了我国长期依赖国外我国长期依赖国外CPU产品的无产品的无芯芯的历史，也标志着国的历史，也标志着国产安全服务器产安全服务器CPU和通用的嵌入式微处理器产业化的开始。和通用的嵌入式微处理器产业化的开始。 嵌入式系统原理

10、与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系 龙芯一号在通用龙芯一号在通用CPU体系结构设计方面采用了许多先进体系结构设计方面采用了许多先进的设计与实现技术，尤其在动态流水线的具体实现和硬件的设计与实现技术，尤其在动态流水线的具体实现和硬件对系统安全性的支持方面，有独特创新并申请了专利。对系统安全性的支持方面，有独特创新并申请了专利。 龙芯一号在片内提供了一种特别设计的硬件机制，可以龙芯一号在片内提供了一种特别设计的硬件机制，可以抗御缓冲区溢出攻击，在硬件上根本抵制了缓冲区溢出类抗御缓冲区溢出攻击，在硬件上根本抵制了缓冲区溢出类攻击的危险，从而大大的增加的

11、服务器的安全性。攻击的危险，从而大大的增加的服务器的安全性。 嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系 使用龙芯一号使用龙芯一号CPU可以构成更为安全的网络安全服务器、可以构成更为安全的网络安全服务器、网络安全网关、网际防火墙、服务器网卡等对网络安全有网络安全网关、网际防火墙、服务器网卡等对网络安全有特殊需求的产品及应用。特殊需求的产品及应用。 龙芯系列微处理器可广泛应用于工业控制、信息家电、龙芯系列微处理器可广泛应用于工业控制、信息家电、通讯、网络设备、通讯、网络设备、PDA、网络终端、存储服务器、安全服、网络终端、存储服务器、安全服务

12、器等产品上。务器等产品上。 嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系 嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系 1985年年4月月26日，第一个日，第一个ARM原型在英国剑桥的原型在英国剑桥的Acorn计算机有限公司诞生，并成功的运行了测试程序。计算机有限公司诞生，并成功的运行了测试程序。20世

13、纪世纪80年代后期，年代后期，ARM很快开发成很快开发成Acorn的台式机的台式机产品，奠定了英国教育界计算机技术的基础。产品，奠定了英国教育界计算机技术的基础。 1990年，为广泛推广年，为广泛推广ARM技术而成立了技术而成立了Advanced RISC Machines Limited（简称为（简称为ARM Limited，ARM公司）。公司）。嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系 20世纪世纪90年代，年代， ARM32位嵌人式位嵌人式RISC（Reduced Instruction Set Computer）处理器扩展到世界范

14、围，）处理器扩展到世界范围，特别是占据了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系统应用特别是占据了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系统应用领域的领先地位。领域的领先地位。 ARM公司虽然只成立公司虽然只成立10多年，但在多年，但在1999年因移动电话年因移动电话火爆市场，其火爆市场，其32位位RISC处理器占市场份额超过了处理器占市场份额超过了50%，成为业界龙头老大。成为业界龙头老大。2001年初，年初，ARM公司的公司的32位位RISC处理器市场占有率超过了处理器市场占有率超过了75%。嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系 ARM公司商业模

15、式的强大之处在于其价格合理，全世界公司商业模式的强大之处在于其价格合理，全世界范围有超过范围有超过100个合作伙伴个合作伙伴包括半导体工业的著名公包括半导体工业的著名公司。司。ARM公司专注于设计，其内核耗电少、成本低、功公司专注于设计，其内核耗电少、成本低、功能强，特有能强，特有16/32位双指令集。位双指令集。ARM已成为移动通信、已成为移动通信、手持计算、多媒体数字消费等嵌入式解决方案的手持计算、多媒体数字消费等嵌入式解决方案的RISC标标准。准。 在所有在所有ARM处理器系列中，处理器系列中，ARM7处理器系列应用最广，处理器系列应用最广，采用采用ARM7处理器作为内核生产芯片的公司最

16、多。处理器作为内核生产芯片的公司最多。嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系 体积小、低功耗、低成本、高性能；体积小、低功耗、低成本、高性能；支持支持Thumb（16位）位）/ARM（32位）双指令集，能很位）双指令集，能很好的兼容好的兼容8位位/16位器件；位器件；大量使用寄存器，指令执行速度更快；大量使用寄存器，指令执行速度更快；大多数数据操作都在寄存器中完成，通过大多数数据操作都在寄存器中完成，通过Load/Store结结构在内存和寄存器之间传递数据；构在内存和寄存器之间传递数据；寻址方式灵活简单，执行效率高；寻址方式灵活简单，执

17、行效率高；指令长度固定。指令长度固定。 嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系 在同一条数据处理指令中包含算术逻辑处理单元进行算在同一条数据处理指令中包含算术逻辑处理单元进行算术处理和移位处理；术处理和移位处理； 使用地址自动增加（减少）来优化程序中的循环处理；使用地址自动增加（减少）来优化程序中的循环处理； Load/Store指令可以批量传输数据，从而提高数据传指令可以批量传输数据，从而提高数据传输的效率；输的效率； 所有指令都可以根据前面的指令执行结果决定是否执行，所有指令都可以根据前面的指令执行结果决定是否执行，以提高指令执行的

18、效率。以提高指令执行的效率。嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系 引入新颖的引入新颖的“Thumb”压缩指令格式，降低了小型系统压缩指令格式，降低了小型系统的成本和电源消耗；的成本和电源消耗； ARM9、ARM10、Strong ARM和和ARM11等系列处理等系列处理器的开发，显著提高了器的开发，显著提高了ARM的性能，使得的性能，使得ARM技术在面技术在面向高端数字音频、视频处理等多媒体产品的应用中更加广向高端数字音频、视频处理等多媒体产品的应用中更加广泛；泛； 先进的软件开发和调试环境加快用户产品的开发进程；先进的软件开发和调试

19、环境加快用户产品的开发进程； 广泛的产业联盟使广泛的产业联盟使ARM的嵌入式应用领域更加广阔；的嵌入式应用领域更加广阔； 嵌入在复杂嵌入在复杂SoC中、基于中、基于ARM核的调试系统代表着当今核的调试系统代表着当今片上调试技术的前沿。片上调试技术的前沿。 嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系ARM的发展历程的发展历程嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系ARM的市场地理分部的市场地理分部嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工

20、程系嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系 ARM7系列微处理器为低功耗的系列微处理器为低功耗的32位位RISC处理器，处理器，最适合用于对价位和功耗要求较高的消费类应用。最适合用于对价位和功耗要求较高的消费类应用。 ARM7系列微处理器的主要应用领域为：系列微处理器的主要应用领域为：u 工业控制工业控制u Internet设备设备u 网络和调制解调器设备网络和调制解调器设备u 移动电话移动电话u 嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工

21、程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系 ARM7微处理器系列具有如下特点：微处理器系列具有如下特点：l 具有嵌入式具有嵌入式ICERT逻辑，调试开发方便。逻辑，调试开发方便。l 极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用。极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用。l 能够提供能够提供0.9MIPS/MHz的三级流水线结构。的三级流水线结构。l 代码密度高并兼容代码密度高并兼容16位的位的Thumb指令集。指令集。l 对操作系统的支持广泛。对操作系统的支持广泛。l 指令系统与指令系统与ARM9系列、系列、ARM9E系列和系列和ARM10E系列兼容，便于用户的产品升级换代。系列兼容，便于用户的

22、产品升级换代。l 主频最高可达主频最高可达130MIPS，高速的运算处理能力能胜，高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂应用。任绝大多数的复杂应用。嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系 ARM7系列微处理器的组成系列微处理器的组成嵌入式ICERT嵌入式ICERTETM7接口ETM7接口ARMv4TARMv4TARM7核ARM7核Thumb扩充Thumb扩充嵌入式ICERT嵌入式ICERTETM7接口ETM7接口ARMv4TARMv4TARM7核ARM7核Thumb扩充Thumb扩充ETM9接口ETM9接口DSP扩充DSP扩充Jazel

23、le扩充Jazelle扩充ARMv5TEJARMv5TEJThumb扩充Thumb扩充嵌入式ICERT嵌入式ICERTETM7接口ETM7接口ARMv4TARMv4TARM7核ARM7核Thumb扩充Thumb扩充AHB接口AHB接口嵌入式ICERT嵌入式ICERT8KB Cache8KB CacheMMUMMUARM7TDMI rev4ARM7TDMI rev4整型核整型核ARM7TDMI-S rev4ARM7TDMI-S rev4可综合整型核可综合整型核ARM7EJ rev1ARM7EJ rev1Jazelle 使能核Jazelle 使能核ARM720T rev4ARM720T rev4开

24、放平台处理器核开放平台处理器核嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系 ARM7TDMI ARM7TMDI是目前使用最广泛的是目前使用最广泛的32位嵌入式位嵌入式RISC处理器，属于低端处理器，属于低端ARM处理器核。处理器核。ARM7TMDI的的名称含义为：名称含义为：u ARM732位位ARM体系结构体系结构4T版本，版本， ARM6 32位整型核的位整型核的3V兼容的版本兼容的版本u T支持支持16为压缩指令集为压缩指令集Thumbu D支持片上支持片上Debugu M内嵌硬件乘法器（内嵌硬件乘法器（Multiplier）u I嵌入

25、式嵌入式ICE，支持片上断点和调试点，支持片上断点和调试点嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系 ARM7TDMI-S u ARM7TMDI的可综合（的可综合（Synthesizable）版本（软核）；版本（软核）；u 最适用于可移植性和灵活性为关键的现代电最适用于可移植性和灵活性为关键的现代电子设计。子设计。 嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系 ARM720T ARM720T是在是在ARM7TMDI处理器核的基础上增处理器核的基础上增加了一个加了一个8KB的指令和数据混合的

26、的指令和数据混合的Cache。外部存储器。外部存储器和外围器件通过和外围器件通过AMBA总线主控单元访问，同时还集成总线主控单元访问，同时还集成了写缓冲器以及全性能的了写缓冲器以及全性能的MMU。ARM720T最适合用最适合用于低功耗和体积为关键的应用。于低功耗和体积为关键的应用。嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系 ARM9系列微处理器是在高性能和低功耗特性方面最系列微处理器是在高性能和低功耗特性方面最佳的硬件宏单元。佳的硬件宏单元。 ARM9将流水线级数从将流水线级数从ARM7的的3级增加到级增加到5级，并使级，并使用指令于数据存

27、储器分开的用指令于数据存储器分开的哈佛哈佛（Harvard）体系结构体系结构。在相同工艺条件下，在相同工艺条件下，ARM9TMDI的性能近似为的性能近似为ARM7TMDI的的2倍。倍。 ARM9系列微处理器的主要应用领域为：引擎管理、系列微处理器的主要应用领域为：引擎管理、无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、PDA、网络电脑、数字照相机和数字摄像机等。、网络电脑、数字照相机和数字摄像机等。 嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系 ARM9微处理器系列具有如下特点：微处理器系

28、列具有如下特点：l 5级整数流水线，指令执行效率更高。级整数流水线，指令执行效率更高。l 提供提供1.1MIPS/MHz的哈佛结构。的哈佛结构。l 支持支持32位位ARM指令集和指令集和16位位Thumb指令集。指令集。l 支持支持32位的高速位的高速AMBA总线接口。总线接口。l 全性能的全性能的MMU，支持多种主流嵌入式操作系统。，支持多种主流嵌入式操作系统。l MPU支持实时操作系统。支持实时操作系统。l 支持数据支持数据Cache和指令和指令Cache，具有更高的指令和，具有更高的指令和数据处理能力。数据处理能力。嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络

29、工程系工程学院网络工程系 ARM9系列微处理器的组成系列微处理器的组成嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系 ARM9E系列微处理器为可综合处理器，使用单一的处理系列微处理器为可综合处理器，使用单一的处理器内核提供了微控制器、器内核提供了微控制器、DSP、Java应用系统的解决方案，应用系统的解决方案，极大的减少了芯片的面积和系统的复杂程度。极大的减少了芯片的面积和系统的复杂程度。ARM9E系列系列微处理器提供了增强的微处理器提供了增强的DSP处理能力，很适合于那些需要处理能力，很适合于那些需要同时使用同时使用DSP和微控制器的应用场合

30、。和微控制器的应用场合。 ARM9E系列微处理器广泛应用于硬盘驱动器和系列微处理器广泛应用于硬盘驱动器和DVD播放播放器等海量存储设备、调制解调器和软调制解调器、器等海量存储设备、调制解调器和软调制解调器、PDA、店面终端、店面终端、MPEG MP3音频译码器、语音识别与合成，以音频译码器、语音识别与合成，以及包括巡航控制和反锁刹车等自动控制解决方案。及包括巡航控制和反锁刹车等自动控制解决方案。嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系 ARM9E微处理器系列具有如下特点：微处理器系列具有如下特点：l 支持支持DSP指令集，适合需要高速数字

31、信号处理的场合。指令集，适合需要高速数字信号处理的场合。l 提供提供1.1MIPS/MHz的的5级整数流水线和哈佛结构，指令执行效级整数流水线和哈佛结构，指令执行效率更高。率更高。l 支持支持32位位ARM指令集和指令集和16位位Thumb指令集。指令集。l 支持支持32位的高速位的高速AMBA总线接口。总线接口。l 支持支持VFP9浮点处理协处理器。浮点处理协处理器。l 全性能的全性能的MMU，支持，支持Windows CE、Linux、Palm OS等多种等多种主流嵌入式操作系统。主流嵌入式操作系统。l MPU支持实时操作系统。支持实时操作系统。l支持数据支持数据Cache和指令和指令Ca

32、che，有更高的指令和数据处理能力。，有更高的指令和数据处理能力。l主频最高可达主频最高可达300MIPS。嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系 ARM9E系列微处理器的组成系列微处理器的组成嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系 ARM10系列微处理器属于系列微处理器属于ARM处理器核中的高端处理处理器核中的高端处理器核，具有高性能、低功耗的特点。器核，具有高性能、低功耗的特点。 由于采用了新的体系结构，与同等的由于采用了新的体系结构，与同等的ARM9器件相比较，器件相比较，

33、在同样时钟频率下，在同样时钟频率下，ARM10的性能提高了近的性能提高了近50。同时，。同时，ARM10系列微处理器采用了两种先进的节能方式，使其系列微处理器采用了两种先进的节能方式，使其功耗极低。功耗极低。 ARM10系列微处理器专为数字机顶盒、管理器系列微处理器专为数字机顶盒、管理器（organizer）和智能电话等高效手提设备而设计，并为）和智能电话等高效手提设备而设计，并为复杂的视频游戏机和高性能打印机提供高级的整数和浮点复杂的视频游戏机和高性能打印机提供高级的整数和浮点运算能力。运算能力。 嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程

34、系 ARM10微处理器系列具有如下特点：微处理器系列具有如下特点：l 支持支持DSP指令集。指令集。l 6级整数流水线，指令执行效率更高。级整数流水线，指令执行效率更高。l 支持支持32位位ARM指令集和指令集和16位位Thumb指令集。指令集。l 支持支持32位的高速位的高速AMBA总线接口。总线接口。l 支持支持VFP10浮点处理协处理器。浮点处理协处理器。l 全性能的全性能的MMU，支持多种主流嵌入式操作系统。，支持多种主流嵌入式操作系统。l 支持数据支持数据Cache和指令和指令Cache，具有更高的指令和，具有更高的指令和数据处理能力。数据处理能力。l 主频最高可达主频最高可达400

35、MIPS。l 内嵌并行读内嵌并行读/写操作部件。写操作部件。嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系 ARM10系列微处理器的组成系列微处理器的组成嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系 SecurCore系列微处理器专为安全需要而设计，提供了完系列微处理器专为安全需要而设计，提供了完善的善的32位位RISC技术的安全解，决方案具有特定的抗篡改技术的安全解，决方案具有特定的抗篡改（resist tampering）和反工程和反工程（reverse engineering）特性。特性

36、。 SecurCore系列微处理器除了具有系列微处理器除了具有ARM体系结构的低功体系结构的低功耗、高性能的特点外，还具有其独特的优势，即提供了对耗、高性能的特点外，还具有其独特的优势，即提供了对安全解决方案的支持。安全解决方案的支持。 SecurCore系列微处理器主要应用于一些对安全性要求较系列微处理器主要应用于一些对安全性要求较高的应用产品及应用系统，如电子商务、电子政务、电子高的应用产品及应用系统，如电子商务、电子政务、电子银行业务、网络和认证系统等领域。银行业务、网络和认证系统等领域。 嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系

37、SecurCore系列微处理器除了具有系列微处理器除了具有ARM体系体系结构各种主要特点外，还在系统安全方面具有如结构各种主要特点外，还在系统安全方面具有如下的特点：下的特点： l 带有灵活的保护单元，以确保操作系统和应用数带有灵活的保护单元，以确保操作系统和应用数据的安全。据的安全。l 采用软内核技术，防止外部对其进行扫描探测。采用软内核技术，防止外部对其进行扫描探测。l 可集成用户自己的安全特性和其他协处理器。可集成用户自己的安全特性和其他协处理器。嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系 SecurCore系列微处理器包含系列微处理

38、器包含SecurCore SC100、SecurCore SC110、SecurCore SC200和和SecurCore SC210四种类型，以适用四种类型，以适用于不同的应用场合。于不同的应用场合。 嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系 1995年，年，ARM、Apple和和DEC公司联合声明将开发公司联合声明将开发一种应用于一种应用于PDA的高性能的高性能 、低功耗、基于、低功耗、基于ARM体系结体系结构的构的StrongARM微处理器。微处理器。 1998年年Intel公司接管公司接管Digital半导体公司到现在，采半导体公

39、司到现在，采用了同样的技术，并且进一步考虑了功耗效率，设计了用了同样的技术，并且进一步考虑了功耗效率，设计了StrongARM SA110，并成为高性能嵌入式微处理器，并成为高性能嵌入式微处理器设计的一个里程碑。设计的一个里程碑。 嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系 StrongARM SA-1100处理器是采用处理器是采用ARM体系结构体系结构高度集成的高度集成的32位位RISC微处理器。它融合了微处理器。它融合了Intel公司公司的设计和处理技术以及的设计和处理技术以及ARM体系结构的电源效率，采体系结构的电源效率，采用在软件上

40、兼容用在软件上兼容ARMv4体系结构、同时采用具有体系结构、同时采用具有Intel技术优点的体系结构。技术优点的体系结构。 Intel StrongARM处理器是便携式通讯产品和消费处理器是便携式通讯产品和消费类电子产品的理想选择，已成功应用于康柏的类电子产品的理想选择，已成功应用于康柏的iPAQ H3600 Pocket PC、惠普的、惠普的Jonada Handheld PC和和Java技术支持的技术支持的Palmtop掌上电脑等多种产品中。掌上电脑等多种产品中。嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系 StrongARM的主要特点有

41、：的主要特点有：l 具有寄存器前推的具有寄存器前推的5级流水线；级流水线；l 除了除了64位乘法、多寄存器传送和存储器位乘法、多寄存器传送和存储器/寄存器交换指寄存器交换指令外，其他所有普通指令均是单周期指令；令外，其他所有普通指令均是单周期指令；l 低功耗的伪静态操作；低功耗的伪静态操作；l 不论处理器的时钟频率有多高，乘法器均以每周期计算不论处理器的时钟频率有多高，乘法器均以每周期计算12位、用位、用13个时钟周期计算两个个时钟周期计算两个3位操作数的乘法；位操作数的乘法；l 使用系统控制协处理器来管理片上使用系统控制协处理器来管理片上MMU和和Cache资源，资源，并且集成了并且集成了J

42、TAG边界扫描测试电路以支持印制板连接测边界扫描测试电路以支持印制板连接测试。试。 嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系 Intel Xscale处理器基于处理器基于ARMv5TE体系结构，是一款体系结构，是一款全性能、高性价比、低功耗的处理器。全性能、高性价比、低功耗的处理器。 它提供了从手持互联网设备到互联网基础设施产品的全它提供了从手持互联网设备到互联网基础设施产品的全面解决方案，支持面解决方案，支持16位的位的Thumb指令和指令和DSP指令集。指令集。 基于基于Xscale技术开发的系列微处理器，由于超低功率技术开发的系列微

43、处理器，由于超低功率与高性能的组合使其适用于广泛的互联网接入设备，在因与高性能的组合使其适用于广泛的互联网接入设备，在因特网的各个应用环节中表现出了令人满意的处理性能。特网的各个应用环节中表现出了令人满意的处理性能。 Intel Xscale微处理器结构对于诸如数字移动电话、个微处理器结构对于诸如数字移动电话、个人数字助理和网络产品等广泛的市场都具有关键的优点。人数字助理和网络产品等广泛的市场都具有关键的优点。 嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系 Xscale处理器是处理器是Intel目前主要推广的一款目前主要推广的一款ARM微处理

44、微处理器，处理速度是器，处理速度是StrongARM处理速度的处理速度的2倍。倍。l 数据数据Cache的容量从的容量从8KB增加到增加到32KB；l 指令指令Cache的容量从的容量从16KB增加到增加到32KB；l 微小数据微小数据Cache的容量从的容量从512字节增加到字节增加到2KB；l 为提高指令执行速度，超级流水线结构由为提高指令执行速度，超级流水线结构由5级增至级增至7级；级；l 新增乘法新增乘法/加法器加法器MAC和特定的和特定的DSP型协处理器型协处理器CP0，以提高对多媒体技术的支持；以提高对多媒体技术的支持；l 动态电源管理，使时钟频率可达动态电源管理，使时钟频率可达1

45、GHz、功耗低至、功耗低至1.6W，并能达到并能达到1,200MIPS。嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系 为了精确表述在每个为了精确表述在每个ARM实现中所使用的指令集，迄实现中所使用的指令集，迄今为止，将其定义了今为止，将其定义了6种主要版本，分别用版本号种主要版本，分别用版本号16表表示。示。 核核体系结构体系结构 ARM1 ARM1 V

46、1 V1 ARM2 ARM2 V2 V2 ARM2aS、ARM3 ARM2aS、ARM3 V2a V2a ARM6、ARM600、ARM610 ARM6、ARM600、ARM610 V3 V3 ARM7、ARM700、ARM710 ARM7、ARM700、ARM710 V3 V3 ARM7TDMI、ARM710T、ARM710T、ARM740T ARM7TDMI、ARM710T、ARM710T、ARM740T V4T V4T Strong ARM、ARM8、ARM810 Strong ARM、ARM8、ARM810 V4 V4 ARM9TDMI、ARM920T、ARM940T ARM9TDMI

47、、ARM920T、ARM940T V4T V4T ARM9E-S ARM9E-S V5TE V5TE ARM10TDMI、ARM1020E ARM10TDMI、ARM1020E V5TE V5TE ARM11、ARM1156T2-S、ARM1156T2F-S、ARM1176JZ-S、ARM11JZF-S ARM11、ARM1156T2-S、ARM1156T2F-S、ARM1176JZ-S、ARM11JZF-S V6 V6嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系 ARM体系结构版本体系结构版本v1对第一个对第一个ARM处理器进行描述，处理器

48、进行描述，从未用于商用产品。从未用于商用产品。 版本版本v1的地址空间是的地址空间是26位，仅支持位，仅支持26位寻址空间，位寻址空间，不支持乘法或协处理器指令。不支持乘法或协处理器指令。 基于该体系结构的基于该体系结构的ARM处理器应用在处理器应用在BBC微计算机微计算机中，虽然这种微型计算机制造得很少，但它标志着中，虽然这种微型计算机制造得很少，但它标志着ARM成为第一个商用单片成为第一个商用单片RISC微处理器。微处理器。 版本版本v1 嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系 版本版本v1包括下列指令：包括下列指令： l 基本的数

49、据处理指令（不包括乘法指令）；基本的数据处理指令（不包括乘法指令）；l 基于字节、字和半字的加载基于字节、字和半字的加载/存储（存储（Load/Store）指令；指令；l 分支（分支（Branch）指令，包括分支与链接指令；）指令，包括分支与链接指令；l 软件中断指令（软件中断指令（SWI），用于进行操作系统调用。），用于进行操作系统调用。 版本版本v1 版本版本v1现已废弃不用。现已废弃不用。嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系 以以ARMv2为核的为核的Acorn公司的公司的Archimedes和和A3000批量销售，它使用了版本

50、批量销售，它使用了版本v2的体系结构。的体系结构。 版本版本v2仍然只支持仍然只支持26位的地址空间，但包含了对位的地址空间，但包含了对32位结果的乘法指令和协处理器的支持。位结果的乘法指令和协处理器的支持。 版本版本v2a是版本是版本v2的变种，的变种，ARM3芯片是采用了版芯片是采用了版本本v2a和第一片具有片上和第一片具有片上Cache的的ARM处理器。处理器。 版本版本v2嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系 版本版本v2（2a）通过增加下列指令对体系结构版本）通过增加下列指令对体系结构版本v1进行了扩展，即：进行了扩展，即：

51、 l 乘法和乘加指令；乘法和乘加指令；l 支持协处理器的指令；支持协处理器的指令；l 对于快速中断（对于快速中断（FIQ）模式，提供了）模式，提供了2个以上的影个以上的影子寄存器；子寄存器；l SWP指令和指令和SWPB指令。指令。 版本版本v2 版本版本v2现已废弃不用。现已废弃不用。嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系 ARM作为独立的公司，在作为独立的公司，在1990年设计的第一个微处年设计的第一个微处理器理器ARM6采用的是版本采用的是版本v3的体系结构。的体系结构。 版本版本v3作为作为IP核、独立的处理器（核、独立的处理器

52、（ARM60）、具有）、具有片上高速缓存、片上高速缓存、MMU核写缓冲的集成核写缓冲的集成CPU（用于（用于Apple Newton的的ARM600、ARM610）所采纳的体）所采纳的体系结构而被大量销售。系结构而被大量销售。 版本版本v3的变种版本有版本的变种版本有版本v3G和版本和版本v3M。 版本版本v3 嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系 版本版本v3较以前的版本发生了如下的变化：较以前的版本发生了如下的变化： l 地址空间扩展到地址空间扩展到32位；位；l 分开的当前程序状态寄存器分开的当前程序状态寄存器CPSR和程序状态

53、和程序状态寄存器寄存器SPSR；l 增加了两种异常模式；增加了两种异常模式；l 增加了增加了2个指令（个指令（MRS和和MSR；l 修改了过去用于从异常（修改了过去用于从异常（exception）返回的）返回的指令的功能。指令的功能。 版本版本v3 嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系 体系结构版本体系结构版本v4是第一个具有全部正式定义的体系是第一个具有全部正式定义的体系结构版本，它增加了有符号、无符号半字和有符号字结构版本，它增加了有符号、无符号半字和有符号字节的加载节的加载/存储指令，并为结构定义的操作预留一些存储指令，并为结构

54、定义的操作预留一些SWI空间；引入了系统模式，并将几个未使用指令空空间；引入了系统模式，并将几个未使用指令空间的角落作为未定义指令使用。间的角落作为未定义指令使用。 在体系结构版本在体系结构版本4的变种版本的变种版本4T中，引入了中，引入了16位位Thumb压缩形式的指令集。压缩形式的指令集。 版本版本v4嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系 与版本与版本v3相比，版本相比，版本4增加了下列指令：增加了下列指令： l 有符号、无符号的半字和有符号字节的有符号、无符号的半字和有符号字节的Load和和Store指令；指令；l 增加了增加了

55、T变种；变种；l 增加了处理器的特权模式。增加了处理器的特权模式。 版本版本v4 版本版本v4不再强制要求与不再强制要求与26位地址空间兼容，而且还位地址空间兼容，而且还清楚的指明了哪些指令将会引起未定义指令异常。清楚的指明了哪些指令将会引起未定义指令异常。 嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系 体系结构版本体系结构版本v5通过增加一些指令以及对现有指令通过增加一些指令以及对现有指令的定义略作修改，对版本的定义略作修改，对版本v4进行了扩展。进行了扩展。 版本版本v5主要由两个变种版本主要由两个变种版本v5T和和v5TE组成。组成。

56、ARM10处理器是最早支持版本处理器是最早支持版本v5T（很快也会支持（很快也会支持v5TE版本）的处理器。版本）的处理器。 版本版本v5 嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系 版本版本v5T是体系结构版本是体系结构版本4T的扩展集，加入了的扩展集，加入了BLX、CLZ和和BRK指令。指令。 为了简化那些同时需要控制器和信号处理功能的系统为了简化那些同时需要控制器和信号处理功能的系统设计任务，版本设计任务，版本v5TE在体系结构版本在体系结构版本v5T的基础上增的基础上增加了信号处理指令集，并首先在加了信号处理指令集，并首先在ARM9

57、E-S可综合核中可综合核中实现。实现。 版本版本v5 嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系 版本版本v5主要有如下扩展：主要有如下扩展： l 提高了提高了T变种中变种中ARM/Thumb之间切换的效率；之间切换的效率；l 让非让非T变种和变种和T变种一样，使用相同的代码生成技术；变种一样，使用相同的代码生成技术；l 增加了一个计数前导零（增加了一个计数前导零（Count Leading Zeroes，CLZ）指）指令，该指令允许更有效的整数除法和中断优先程序；令，该指令允许更有效的整数除法和中断优先程序；l 增加了软件断点增加了软件断

58、点(BKPT)指令；指令；l 为协处理器设计提供了更多的可选则的指令；为协处理器设计提供了更多的可选则的指令；l 对由乘法指令如何设置条件码标志位进行了严密的定义。对由乘法指令如何设置条件码标志位进行了严密的定义。 版本版本v5 嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系 ARM体系结构版本体系结构版本v6是是2001年发布的。年发布的。 新架构版本新架构版本v6在降低耗电量的同时，强化了图形处理在降低耗电量的同时，强化了图形处理性能。性能。 通过追加了能够有效进行多媒体处理的通过追加了能够有效进行多媒体处理的SIMD功能，功能，将其对语音

59、及图像的处理功能提供到原机型的将其对语音及图像的处理功能提供到原机型的4倍。倍。 版本版本v6首先在首先在2002年春季发布的年春季发布的ARM11处理器中处理器中使用。除此之外，版本使用。除此之外，版本v6还支持多种微处理器内核。还支持多种微处理器内核。 版本版本v6 嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系ARM ARM 体系结构更新体系结构更新嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院网络工程系

60、 Thumb指令集是指令集是ARM指令集的重编码子集。指令集的重编码子集。 Thumb指令（指令（16位位）是）是ARM指令（指令（32位位）的一半）的一半长，因此使得长，因此使得Thumb指令集可得到比指令集可得到比ARM指令集更高指令集更高的代码密度，这对于降低产品成本是非常有意义的。的代码密度，这对于降低产品成本是非常有意义的。 对于支持对于支持Thumb指令的指令的ARM体系版本，一般通过增体系版本，一般通过增加字符加字符T来表示（如来表示（如v4T）。）。 Thumb指令集（指令集（T变种）变种） 嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发*工程大学工程大学*工程学院网络工程系工程学院