ARM技术与ARM体系结构.

1、EmbeddedSyste-ArchHecture2嵌入式糸统结构大连理工大学软件学院 邱铁办公楼409Tel: 87571521E_mail:第二讲那/技术与貝咖俸菜结构。ARM 体系结构的基本版本。 Thumb 技术 。 处理器工作模式 。 ARM7TDMI。ARM9TDMIEmbeddedSyste-Architecture貝妙/技术的产土0 第一片 ARM 处理器是 1983 年 10 月到 1985 年 4 月 间 在位于英国剑桥的 Acorn Computer 公司开发1990 年，ARM 公司成立。20 世纪 90 年代，ARM 快速进入世界市场o 1995 年 Strong A

2、RM 问世。XScale 是下一代 StrongAR M 芯片的发展基础o ARM10TDMI 是 ARM 处理器核中的高端产品。 ARM11 是 ARM 家族中性能最强的一个系列Embedded System-Architecture一.ARM 体系结构的基本版本支持首Halfword和signedhalfword/ byte和System mode改良的ARM/Thumb交4作用以及CLZ指令Jazelle支持Java字节码ARM9EJ-S甲期的ARMS支持Thumb指令集Saturated mathsDSP multiply-accumulatein structi onsI ARM7T

3、DMI| ARM9TDMI|iI ARM1020E IARM9E-SP ARM720T | ARM940T| XScale | ARM966E-S |ARM7EJ-S| ARMT1 |EmbeddedSyste-ArchitectureEmbeddedSyste-ArchitectureARM 体系结构的基本版本版本 4 与以前版本相比增加了下列指令：。有符号、无符号的半字和有符号字节的 load 和 store 指令。增加了 T 变种，处理器可以工作于 Thumb 状态，在该状态下的指令集 是 16 位的Thumb 指令集。o 增加了处理器的特权模式。在该模式下，使用的是用户模式下的寄存 器

4、。Embedded System-ArchitectureARM 体系结构的基本版本版本5主要由两个变型版本5T、5TE组成相比与版本4,版本5的指令集有了如下的变化：。提高了T变种中ARM/Thumb混合使用的效率。o增加前导零记数(CLZ)指令，该指令可使整数除法和中断优先级 排队操作更为有效；。增加了BKPT(软件断点)指令；o为协处理器设计提供了更多的可供选择的指令；。更加严格地定义了乘法指令对条件码标志位的影响。EmbeddedSysteArchitecture8ARM 体系结构的基本版本 ARM 体系版木 6 是 2001 年发布的。新架构 v6 在降低 耗电量的同时还强化了图形处

5、理性能。通过追加有效进 行多媒体处理的SIMD 功能，将语音及图像的处理功能提 高到了原机型的 4 倍。ARM 体系版本 6 首先在 2002 年春季 发布的 ARM11 处理器中使用。Embedded System- ArchitectureARM 体系结构的基本版本命名规则大括号内的字母是可选的，各个字母的含义如下：x系列号，例如ARM7中的“7”、ARM9中的“9”；y内部存储管理/保护单元，例如ARM72中的“2”、ARM94中 的W；z -内含有高速缓存Cache；T技持16位的Thumb指令集；D支持JTAG片上调试；M支持用于长乘法操作( (64位结果)的ARM指令，包含快速乘

6、法器；I -带有嵌入式追踪宏单元ETM (EmbeddedTrace Macro),用来设置断点和观察点的调试硬件；EmbeddedSyste-ArchitectureE 增强型 DSP 指令（基于 TDMI）；J -含有 Java 加速器 Jazelle,与 Java 虚拟机相比，Java 加速器 Jazelle 使 Java 代码运行速度提髙了 8 倍，功耗 降低到原来的 80%；F向量浮点单元；S可综合版本，意味着处理器内核是以源代码形式提供 的。这种源代码形式又可以被编译成一种易于 EDA 工具使用 的形式。Embedded System-Architecture9ARM 体系结构的基

7、本版本版本版本变种系列号处理器核VIVIARM1ARM1V2V2ARM2ARM2V2aARM2aSARM3ARM3V3V3ARM6ARM6、/RM600. ARM610ARM7ARM7. ARM700. ARM710V4V4TARM7TDMI. /kRM710T. AR!M7201 ARM740TV4ARMSStrongARM. ARM8. ARM810V4TARM9ARM9TDMI. ARM9201 ARM940TV5V5TEARM9E-SARM1OARMIOTDMI. ARM1020EV6V6ARM 11ARM IK ARM11562 S、ARM1156T2F-S ARM11JZF-SV7

8、V7ARM CotexARM Cotex-A8s ARM Cotex-R4 ARM Cotex-M3EmbeddedSystemArchitecture12二.Thumb 技术o为解决代码长度的问题，ARM 体系结构增加了 T 变种,这就是 Thumb 指令集，它是 ARM 技术的一大特色。Thumb 是 ARM 体系结构的扩展。它有从标准 32 位ARM 指令集抽出来的 36 条指令格式，可以重新编成 16 位的 操作码。这能带来很高的代码密度。ARM7TDMI 是第一个支持 Thumb 的核。Embedded System-Architecture11三处理器工作模式 ARM有7个基本工作

9、模式：User:非特权模式，大部分任务执行在这种模式-止常程序执行的模式FIQ:当一个高优先级(fast)中断产生时将会进入这种模式高速数据传输和通道处理RQ:当一个低优先级(iiomial)中断产生日寸将会进入这种模式通常的中断处理Supervisor:当复位或软中断扌旨令执彳亍时将会疔韭入这环中模式供操作系统使用的一种保护模式Abort:当存取异常日寸将会进入这种模式成拟存储及存储保护Undef:当执行未定义扌旨令时会进入这种模式软件仿真硬件协处理器System:使用和User模式相同寄存器集的特权模式特权级的操作系统任务Embedded SystemArchitecture14ARM 寄

10、存器当前可见寄存器Embedded System-Architecture13User FIQ备用寄存器AbortModeIRQ SVC Undefrl3r!4Embedded SystemArchitecture15寄存器组织概要Note: System模式使用user模式寄存器集UserFIQIRQSVCUndefAbortmoder0-r7,.rlS ,Userdmoder0-rl2 ,UsrmodeUsermodeUser oderl2#rl5randThumb stateLow registersThumb stateHigh registersrOE15 (pc)cpsrrl3 (

11、sp) rl4rl3 (sp)rl4 (lx)EmbeddedSysteArchitecture16ARM 寄存器 ARM 有 37 个 32-Bits 长的寄存器. 1 个用作 PC( program counter) 1 个用作 CPSR(current program status register) 5 个用作 SPSR(saved program status registers)30 个通用寄存器当前处理器的模式决定着哪组寄存器可操作.任何模式都可以存取:相应的 r0-r12f 集 相应的 r13 (the stack pointer, sp) and r14 (the link

12、register, Ir) 和应的 r15 (the program counter, pc) 和丿 2 的 CPSR(currerH program status register, cpsr)特权模式(除 system 模式)还可以存取； 和应的 spsr (saved program status register)Embedded System- Architecture巧程序状态寄存器JI 条件位：N = 1-结果为负,0结果为正或0Z = 1-结果为0,0结果不为0C=1-进位.0借位v=1-结果溢出，0结果没溢出中断禁止位：I = 1：禁止IRQ.F= 1:禁止FIQ. TBit

13、仅ARM xT架构支持T = 0:处理器处于ARM状态T=1:处理器处J Thumb状态 Q位：仅ARM5TE/J架Mode位（处理 J位仅0b100000b100010b100100b10011User FIQIRQSupervisorI F TEmbeddedSysteArchttecture18程序指针 PC（r15）当处理器执行在 ARM 状态：所有指令 32 bits 宽所有指令必须 word 对齐所以 pc 值 dibits 31:2决疋，bits 1:0未足义（所以指令不能 halfword/byte 对齐）.当处理器执行在 Thumb 状态：所有指令 16 bits 宽所有指令

14、必须 halfword 对齐所以 pc 值 fhbits 31:1决昭 bits 0未足义（所以指令不能 byte 对齐）.当处理器执行在 Jazelle 状态：所有指令 8 bits 宽处理器执行 word 存取次取 4 条指令Embedded System-Architecture门字节顺序 The ARM 可以用 little/big endian 格式存取数据.EmbeddedSysteArchttecture19For more information, see:Application Note : Big and Little Endian Byte AddressingLittl

15、eendiaBigendiaR2 =0 x11四.ARM7TDMI ARM7TDMI 是堆丁 ARM7 内核3 级流水线0.9MIPS/MHZ冯诺依曼架构CPI(Cycle Per Instruction)约为 1.9TThumb 架构扩展，提供两个独立的指令集：ARM指令，均为32位Thumb指令，均为16位两种运行状态.用來选择哪个指令集被执行D 内核具有 Debug 扩展结构M 增强乘法器支持 64 位结果.I - EmbeddedICE-RT 逻轲提供片上断点和调试点支持EmbeddedSystemArchitectureARM7TDMI 方框图控制信号JTAG接I IEmbedded

16、SystePCUpdate解码站指令解码读数据寄存器BIGENDMCLKnWAITnRWMAS1:0ISYNCnIRQnFIQnRESETABORTnTRANSn MREQSEOLOCK nM4:0nOPCnCPI CPACPBBARMARM decodedecompressReg SelectDECODEEXECUTEFETCHARM9TDMIInstructionFetchARMor ThumbInst DecodeRegDecodeShift* ALUMemoryAccessWriteFETCHDECODEEXECUTEMEMORYWRITEEmbeddedSystemArchitect

17、ureMU逻忖单尤包含仏E路抵川於乘法曙和桶形移位卅EmbeddedSyste-Architecture36ARM9TDMI 数据通道(2)结果-DINFWDEmbedded System-ArchitectureLDR 互锁周期123456789操作ADDR1,R1,R2FDEWSUBR3,R4,R1FDEWLDRR4,R7FDEMwORRR8,R3,R4FDIEWANDR6,R3,R1FIDEWEORR3,R1,R2FDEWF-取指(Fetch) D-解码(Decode) E_执行(Execute) I-互锁( (Interlock) M-存储器( (Memory) W-写回( (Writ

18、eback)本例中，用了 7 个机器周期执行 6 条指令，CPI = 1.2 机器周期。 LDR 指令之后立即跟一条数据操作指令，由于使用了相同的寄存器，将会 导致互锁。（至IA生成逻辑）EmbeddedSysteArchitecture38最佳流水线本例中，用了 6 个机器周期执行 6 条指令，CPI=1 机器周期。 LDR 指令没有引起流水线互锁Embedded System- Architecture37LDM 互锁 fl)本例中，用了 8 个机器周期执行 5 条指令，CPI=1.6在 LDM 期间，有并行的存储器访问和回写周期EmbeddedSyste-Architecture40LD

19、M 互锁（2）周期1 23456789操作LDMIAR13!,R0-R3| FDEMMWMWMWwSUBR9.R7.R3FD1111EwSTRR4,R9F1111DEMwORRR8,R4,R3FDEWANDR6,R3,R1FDEF-取指( (Fetch) D-解码(Decode) E-执行(Execute)I一互锁( (Interlock)存储器( (Memory) W-写回( (Writeback)本例中，用了 9 个机器周期执行 5 条指令，CPI=1.8此处 SUB 使用了 R3,增加了一个额外的互锁周期来完成该寄存器数据的获取 这种惜况对任何LDM指令，像带IA,DB,FD,等.都会发生。注意如掃接口必须能够读取指令存储器中的数据. 为调试方便，建议数据接口能够读写指令存储器EmbeddedSysteArchitecture42带 Cache 的 ARM9TDMIARM920T2x 16K cachesMMU ARM1020E v5TE 架构 CPI 3 6 级流水线静态分支预测 32kB 指令 cache 和 32kB