基于ARM的处理器体系结构

1、嵌入式系统设计与实例开发第三章 基于ARM的处理器体系结构主要内容容3.1ARM体系结构构3.1.1ARM微微处理器器结构3.1.2ARM工工作状态态3.1.3ARM微微处理器器的寄存存器组织织3.1.4ARM微微处理器器的指令令结构3.2ARM9处理器简简介3.2.1与与ARM7处理理器的比比较3.2.2OMAP5912处理理器简介介 ARM简简介ARM即AdvancedRISC Machines的缩写。1985年4月26日，第一一个ARM原型在英英国剑桥桥的Acorn计算机有有限公司司诞生，由美国国加州SanJoseVLSI技术公司司制造。20世纪80年代后期期，ARM很快开发发成Acor

2、n的台式机机产品，形成英英国的计计算机教教育基础础。1990年成立了了AdvancedRISCMachinesLimited。ARM简简介20世纪90年代，ARM32位嵌人式式RISC（Reduced Instruction SetComputer）处理器扩扩展到世世界范围围，占据据了低功功耗、低低成本和和高性能能的嵌入入式系统统应用领领域的领领先地位位。32位RISC处理器受受到青睐睐，领先先的是ARM嵌入式微微处理器器系列。ARM公司虽然然只成立立10多年，但但在1999年因移动动电话火火爆市场场，其32位RISC处理器占占市场份份额超过过了50%，2001年初，ARM公司的32位RISC

3、处理器市市场占有有率超过过了75%。ARM简简介ARM公司是知知识产权权供应商商，是设设计公司司。由合合作伙伴伴公司来来生产各各具特色色的芯片片。ARM公司商业业模式的的强大之之处在于于其价格格合理，全世界界范围有有超过100个合作伙伙伴-包括半导导体工业业的著名名公司。ARM公司专注注于设计计，其内内核耗电电少、成成本低、功能强强，特有有16/32位双指令令集。ARM已成为移移动通信信、手持持计算、多媒体体数字消消费等嵌嵌入式解解决方案案的RISC标准。3.1ARM体系结结构3.1.1ARM微处理器器结构1.RISC设计思想想传统的复复杂指令令集计算算机（Complex Instructio

4、n SetComputer，CISC）结构构有其固固有的缺缺点，即即随着计计算机技技术的发发展而不不断引入入新的复复杂的指指令集，为支持持这些新新增的指指令，计计算机的的体系结结构会越越来越复复杂。3.1.1ARM微微处理器器结构1.RISC设计思想想1979年美国国加州大大学伯克克利分校校提出了了RISC的概概念。RISC并非只只是简单单地去减减少指令令。RISC是是一种设设计思想想，其目目标是设设计出一一套能在在高时钟钟频率下下单周期期执行、简单而而有效的的指令集集。RISC的设计计重点在在于降低低由硬件件执行的的指令的的复杂度度，因为为软件比比硬件容容易提供供更大的的灵活性性和更高高的智

5、能能。因此此，RICS设设计对编编译器有有更高的的要求。3.1.1ARM微微处理器器结构CISC与RISC的的不同RISC和CISC之之间的主主要区别别指 标RISCCISC指令集一个周期执行一条指令，通过简单指令的组合实现复杂操作；指令长度固定指令长度不固定，执行需要多个周期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用于特定目的的专用寄存器Load/Store结构独立的Load和Store指令完成数据在寄存器和外部存储器之间的传输处理器能够直接处理存储器中的数据RISC的4个个设计准准则（1）指令集集RISC处理器器减少了了指令种种类。RISC的指令令

6、种类只只提供简简单的操操作，使使一个周周期就可可以执行行一条指指令。编编译器或或者程序序员通过过几条简简单指令令的组合合来实现现一个复复杂的操操作（如如除法操操作）。RISC采用定定长指令令集，每每条指令令的长度度都是固固定的，允许流流水线在在当前指指令译码码阶段去去取其下下一条指指令；而而在CISC处处理器中中，指令令长度通通常不固固定，执执行也需需要多个个周期。RISC的4个个设计准准则（2）流水线线指令的处处理过程程被拆分分成几个个更小的的、能够够被流水水线并行行执行的的单元。在理想想情况下下，流水水线每周周期前进进一步，可获得得最高的的吞吐率率；而CISC指令的的执行需需要调用用微代码

7、码的一个个微程序序。RISC的4个个设计准准则（3）寄存器器RISC处理器器拥有更更多的通通用寄存存器。每每个寄存存器都可可存放数数据或地地址。寄寄存器可可为所有有的数据据操作提提供快速速的局部部存储访访问；而而CISC处理理器都是是用于特特定目的的的专用用寄存器器。RISC的4个个设计准准则（4）Load/Store结构处理器只只处理寄寄存器中中的数据据。独立立的load和和store指指令用来来完成数数据在寄寄存器和和外部存存储器之之间的传传送。因因为访问问存储器器很耗时时，所以以把存储储器访问问和数据据处理分分开。这这样有一一个好处处，就是是可反复复地使用用保存在在寄存器器中的数数据，而

8、而避免多多次访问问存储器器，从而而达到提提高程序序执行性性能的目目的。3.1.1ARM微微处理器器结构2.ARM设计思想想为了使ARM指指令集能能够更好好地满足足嵌入式式应用的的需要，ARM指令集集和单纯纯的RISC定定义有以以下几个个方面的的不同：一些特定定的指令令周期数数可变内嵌桶形形移位器器产生了了更为复复杂的指指令Thumb16位指指令集条件执行行3.1.1ARM微微处理器器结构3.ARM微处理器器系列分分类及ARM体系的变变种当前应用用较为广广泛的ARM微微处理器器核有ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E产品系系列，每每个系列列都提供供了一套套特定的的性能来来满足设设计者对对

9、功耗、性能和和体积的的需求。在ARM体系中中增加的的某些特特定功能能称为ARM体体系的某某种变种种（variant）。ARM体体系的变变种（1）Thumb指令集（T变种）Thumb指令令集是将将ARM指令集集的一个个子集重重新编码码而形成成的一个个指令集集。ARM指令令长度为为32位位，Thumb指令长长度为16位。与ARM指令集集相比，Thumb指指令集具具有一定定的局限限性，即即完成相相同的操操作，Thumb指令令通常需需要更多多的指令令。因此此，在对对系统运运行时间间要求苛苛刻的应应用场合合，ARM指令令集更为为适合。Thumb指令令集没有有包含进进行异常常处理时时需要的的一些指指令，所

10、所以在异异常中断断的低级级处理时时，还是是需要使使用ARM指令令。这种种限制决决定了Thumb指令令需要和和ARM指令配配合使用用。ARM体体系的变变种（2）长乘法法指令（M变种）M变种增增加了两两条用于于进行长长乘法操操作的ARM指指令：其其中一条条指令用用于实现现32位位整数乘乘以32位整数数，生成成64位位整数的的长乘法法操作，另一条条指令用用于实现现32位位整数乘乘以32位整数数，然后后再加上上32位位整数，生成64位整整数的长长乘加操操作。在需要这这种长乘乘法的应应用场合合，使用用M变种种比较合合适。然然而，在在有些应应用场合合中，乘乘法操作作的性能能并不重重要，在在系统实实现时就就

11、不适合合增加M变种的的功能。ARM体体系的变变种（3）增强型型DSP指令（E变种）E变种包包含了一一些附加加的指令令，这些些指令用用于增强强处理器器对一些些典型DSP算算法的处处理性能能，主要要包括：几条新新的实现现16位位数据乘乘法和乘乘加操作作的指令令，实现现饱和的的带符号号数的加加减法操操作的指指令。所谓饱和和的带符符号数的的加减法法操作是是在加减减法操作作溢出时时，结果果并不进进行卷绕绕（wrapping around），而是使使用最大大的正数数或最小小的负数数来表示示。进行行双字数数据操作作的指令令，包括括双字读读取指令令LDRD、双双字写入入指令STRD和协处处理器的的寄存器器传输

12、指指令MCRR/MRRC、Cache预取取指令PLD。ARM体体系的变变种（4）Java加速器Jazelle（J变种）ARM的的Jazelle技术术将Java的的优势和和先进的的32位位RISC芯片片完美地地结合在在一起。Jazelle技术术提供了了Java加速速功能，可以得得到比普普通Java虚虚拟机高高得多的的性能。与普通通的Java虚虚拟机相相比，Jazelle使Java代代码运行行速度提提高了3倍，而而功耗降降低了80%。Jazelle技术使使得程序序员可以以在一个个单独的的处理器器上同时时运行Java应用程程序、已已经建立立好的操操作系统统、中间间件以及及其他应应用程序序。与使使用协

13、处处理器和和双处理理器相比比，使用用单独的的处理器器可以在在提供高高性能的的同时，保证低低功耗和和低成本本。ARM体体系的变变种（5）ARM媒体功能能扩展（SIMD变种）ARM媒媒体功能能扩展为为嵌入式式应用系系统提供供了高性性能的音音频/视视频处理理技术。这就要要求处理理器能够够提供很很强的数数字信号号处理能能力，同同时还必必须保持持低功耗耗，以延延长电池池的使用用时间。ARM的SIMD媒媒体功能能扩展为为这些应应用需求求提供了了解决方方案。SIMD变种的的主要特特点是：可以同同时进行行两个16位操操作数或或者4个个8位操操作数的的运算，提供了了小数算算术运算算，用户户可以定定义饱和和运算的

14、的模式，两套16位操操作数的的乘加/乘减运运算，32位乘乘以32位的小小数MAC，同同时8位位/16位选择择操作。3.1.1ARM微微处理器器结构4.ARM体系结构构的命名名规则ARM产产品通常常以ARMxyzTDMIEJF-S形形式出现现。后缀变量含 义x系统，如ARM7、ARM9y存储管理/保护单元zCacheTThumb16位译码器（T变种）DJTAG调试器M长乘法指令（M变种）I嵌入式跟踪宏单元E增强型DSP指令（E变种）JJava加速器Jazelle（J变种）F向量浮点单元S可综合版本ARM体体系结构构命名规规则附加加要点ARM7TDMI之后的所所有ARM内核，即即使“ARM”标志后

15、没没有包含含“TDMI”字符，也也都默认认包含了了TDMI的功能特特性；JTAG是由IEEE 1149.1标准测试试访问端端口和边边界扫描描结构来来描述的的，是ARM用来发送送和接收收处理器器内核与与测试仪仪器之间间调试信信息的一一系列协协议；嵌入式ICE宏单元是是建立在在处理器器内部用用来设置置断点和和观察点点的调试试硬件；可综合，意味着着处理器器内核是是以源代代码形式式提供的的。这种种源代码码形式可可被编译译成一种种易于EDA工具使用用的形式式。3.1.1ARM微微处理器器结构5.ARM微处理器器系列ARM微微处理器器目前包包括下面面几个系系列，以以及其它它厂商基基于ARM体系系结构的的处

16、理器器，除了了具有ARM体体系结构构的共同同特点以以外，每每一个系系列的ARM微微处理器器都有各各自的特特点和应应用领域域。ARM7系列ARM9系系列ARM9E系列列ARM10E系列ARM11系列列SecurCore系列列Inter的XscaleInter的StrongARMARM微微处理器器系列（1）ARM7微处理器器系列ARM7内核采采用冯诺伊曼曼体系结结构，数数据和指指令使用用同一条条总线。内核有有一条3级流水水线，执执行ARMv4指令集集。ARM7系列微微处理器器主要用用于对功功耗和成成本要求求比较苛苛刻的消消费类产产品。其其最高主主频可达达130MIPS。ARM7系列微微处理器器的主

17、要要应用领领域为：工业控控制、Internet设备备、网络络和调制制解调器器设备、移动电电话等多多种多媒媒体和嵌嵌入式应应用。ARM微微处理器器系列ARM7微处理器器系列具具有如下下特点：具有嵌入入式ICERT逻辑辑，调试试开发方方便；极低的功功耗，适适合对功功耗要求求较高的的应用；能够提供供0.9MIPS/MHz的的三级流流水线结结构；代码密度度高并兼兼容16位的Thumb指令令集；对操作系系统的支支持广泛泛，包括括WindowsCE、Linux、Palm OS等；指令系统统与ARM9系系列、ARM9E系列列和ARM10E系列列兼容，便于用用户的产产品升级级换代；主频最高高可达130MIPS

18、，高速速的运算算处理能能力能胜胜任绝大大多数的的复杂应应用。ARM微微处理器器系列（2）ARM9微处理器器系列ARM9系列采采用5级级指令流流水线，能够运运行在比比ARM7更高高的时钟钟频率上上，改善善了处理理器的整整体性能能。ARM9的的存储器器系统根根据哈佛佛体系结结构重新新设计，区分了了数据总总线和指指令总线线。ARM9系列的的第一个个处理器器是ARM920T，包含独独立的数数据指令令Cache和和MMU。该处处理器能能够被用用在要求求有虚拟拟存储器器支持的的操作系系统上。ARM9系列微微处理器器主要应应用于无无线设备备、仪器器仪表、安全系系统、机机顶盒、高端打打印机、数字照照相机和和数

19、字摄摄像机等等。ARM微微处理器器系列（3）ARM9E微处理器器系列ARM9E系列列微处理理器是ARM9内核带带有E变变种的一一个可综综合版本本，使用用单一的的处理器器内核提提供了微微控制器器、DSP、Java应用系系统的解解决方案案，极大大地减少少了芯片片的面积积和系统统的复杂杂程度。ARM9E系系列微处处理器提提供了增增强的DSP处处理能力力，很适适合于那那些需要要同时使使用DSP和微微控制器器的应用用场合。ARM9E系列列微处理理器包含含ARM926EJ-S、ARM946E-S和和ARM966E-S三种类类型。ARM微微处理器器系列（4）ARM10E微处理器器系列ARM10E系系列微处处

20、理器具具有高性性能、低低功耗的的特点，由于采采用了新新的体系系结构，采用6级整数数流水线线，与同同等的ARM9器件相相比较，在同样样的时钟钟频率下下，性能能提高了了近50。同同时，ARM10E系系列微处处理器采采用了两两种先进进的节能能方式，使其功功耗极低低，且提提供了64位的的Load/Store体系系，支持持包括向向量操作作的、满满足IEEE754的浮点点运算协协处理器器，系统统集成更更加方便便。ARM微微处理器器系列（5）ARM11微处理器器系列ARM1136J-S发布于于2003年，是针对对高性能能和高能能效应而而设计的的。ARM1136J-S是是第一个个执行ARMv6架构构指令的的处

21、理器器。它集集成了一一条具有有独立的的Load/Store和算算术流水水线的8级流水水线。ARMv6指令令包含了了针对媒媒体处理理的单指指令流多多数据流流扩展，采用特特殊的设设计改善善视频处处理能力力。ARM微微处理器器系列（6）SecurCore微处理器器系列SecurCore系系列微处处理器专专为安全全需要而而设计，提供了了完善的的32位位RISC技术术的安全全解决方方案，SecurCore系系列微处处理器除除了具有有ARM体系结结构的低低功耗、高性能能的特点点外，还还具有其其独特的的优势，即提供供了对安安全解决决方案的的支持。SecurCore系系列微处处理器除除了具有有ARM体系结结构

22、各种种主要特特点外，还在系系统安全全方面具具有如下下的特点点：带有灵活活的保护护单元，以确保保操作系系统和应应用数据据的安全全。采用软内内核技术术，防止止外部对对其进行行扫描探探测。可集成用用户自己己的安全全特性和和其他协协处理器器。ARM微微处理器器系列（7）StrongARM微处理器器系列IntelStrongARMSA-1100处理理器是采采用ARM体系系结构高高度集成成的32位RISC微微处理器器。它融融合了Inter公司司的设计计和处理理技术以以及ARM体系系结构的的电源效效率，采采用在软软件上兼兼容ARMv4体系结结构、同同时采用用具有Intel技术术优点的的体系结结构。Intel

23、StrongARM处处理器是是便携式式通讯产产品和消消费类电电子产品品的理想想选择，已成功功应用于于多家公公司的掌掌上电脑脑系列产产品。ARM微微处理器器系列（8）Xscale处理器Xscale处处理器是是基于ARMv5TE体系结结构的解解决方案案，是一一款全性性能、高高性价比比、低功功耗的处处理器。它支持持16位位的Thumb指令和和DSP指令集集，已使使用在数数字移动动电话、个人数数字助理理和网络络产品等等场合。Xscale处处理器是是Intel目目前主要要推广的的一款ARM微微处理器器。3.1ARM体系结结构3.1.2ARM工作状态态从编程的的角度看看，ARM微处处理器的的工作状状态一般

24、般有两种种，并可可在两种种状态之之间切换换：第一种为为ARM状态，此时处处理器执执行32位的、字对齐齐的ARM指令令；第二种为为Thumb状状态，此此时处理理器执行行16位位的、半半字对齐齐的Thumb指令。3.1ARM体系结结构3.1.3ARM微处理器器的寄存存器组织织ARM处处理器共共有37个寄存存器，被被分为若若干个组组（BANK），这些些寄存器器包括：31个通通用寄存存器，包包括程序序计数器器（PC指针），均为为32位位的寄存存器。6个状态态寄存器器，用以以标识CPU的的工作状状态及程程序的运运行状态态，均为为32位位，目前前只使用用了其中中的一部部分。3.1ARM体系结结构3.1.4

25、ARM微处理器器的指令令结构ARM微微处理器器在较新新的体系系结构中中支持两两种指令令集：ARM指指令集和和Thumb指指令集。其中，ARM指令为为32位位的长度度，Thumb指令为为16位位长度。Thumb指令令集为ARM指指令集的的功能子子集，但但与等价价的ARM代码码相比较较，可节节省30%40%以以上的存存储空间间，同时时具备32位代代码的所所有优点点。主要内容容3.1ARM体系结构构3.1.1ARM微微处理器器结构3.1.2ARM工工作状态态3.1.3ARM微微处理器器的寄存存器组织织3.1.4ARM微微处理器器的指令令结构3.2ARM9处理器简简介3.2.1与与ARM7处理理器的比

26、比较3.2.2OMAP5912处理理器简介介3.2ARM9处理理器简介介ARM9系列处理理器是ARM公司设计计的主流流嵌入式式处理器器，主要要包括ARM9TDMI和ARM9E-S等系列。以手机应应用为例例，2G手机只需需提供语语音及简简单的文文字短信信功能，而2.5G和3G手机除了了提供这这两项功功能外，还必须须提供各各种其他他的应用用功能。主要包包括：（1）无无线网络络设备：手机上上网、电电子邮件件及其他他定位服服务等功功能；（2）PDA功功能：含含有用户户操作系系统（Windows CE、SymbianOS、Linux等等）及其其他功能能；（3）高高性能功功能：音音频播放放器、视视频电话话

27、、手机机游戏等等。3.2ARM9处理理器简介介3.2.1与ARM7处理器比比较ARM7提供了了非常好好的性能能功耗耗比，它它包含了了Thumb指指令集快快速乘法法指令和和ICE调试技技术的内内核。ARM9处理器器通过全全新的设设计，采采用了更更多的晶晶体管，能够达达到两倍倍以上于于ARM7处理理器的处处理能力力。ARM7内核是是0.9MIPS/MHz的的三级流流水线和和冯诺诺伊曼结结构，而而ARM9内核核是5级级流水线线，提供供1.1MIPS/MHz的的哈佛结结构。 3.2.1与与ARM7处理理器比较较1.体系结构构不同ARM7内核采采用冯诺伊曼曼体系结结构，数数据和指指令使用用同一条条总线。

28、ARM9内核核根据哈哈佛体系系结构重重新设计计，区分分了数据据总线和和指令总总线。（1）冯冯诺伊伊曼结构构3.2.1与与ARM7处理理器比较较1.体系结构构不同（2）哈佛结构构哈佛结构构的特点点是使用用两个独独立的存存储器模模块，分分别存储储指令和和数据。3.2.1与与ARM7处理理器比较较在典型情情况下，完成一一条指令令需要3个步骤，即：取取指令、指令译译码和执执行指令令。冯诺伊伊曼结构构处理器器指令流流的定时时关系示示意图3.2.1与与ARM7处理理器比较较如果采用用哈佛结结构处理理以上同同样的3条存取数数指令，由于取取指令和和存取数数据分别别经由不不同的存存储空间间和不同同的总线线，使得

29、得各条指指令可以以重叠执执行，这这样，也也就克服服了数据据流传输输的瓶颈颈，提高高了运算算速度。哈佛结构构处理器器指令流流的定时时关系示示意图3.2.1与与ARM7处理理器比较较2.时钟频率率的提高高ARM7处理器器采用3级流水水线，在在执行级级完成了了多个操操作，包包括从寄寄存器读读取操作作数，传传给移位位寄存器器，传给给算术逻逻辑单元元ALU，把运运算结果果写回寄寄存器。ARM7TDMI和ARM7TDMI-S流水线线3.2.1与与ARM7处理理器比较较2.时钟频率率的提高高ARM9采用5级流水水线，ARM9TDMI和ARM9E-S两种设设计基本本一样，除了ARM9E-S内核实实现了一一个更

30、复复杂的乘乘加单元元，以支支持ARMv5TE架架构新引引入的DSP增增强指令令集。采采用哈佛佛架构避避免了数数据访问问和取指指令对单单总线的的使用冲冲突。ARM9TDMI流水水线3.2.1与与ARM7处理理器比较较3.指令周期期的改进进（1）存存储器读读写指令令Load/Store导致Load/Store指指令时钟钟数目减减少的两两个微处处理器架架构设计计上的根根本差别别：ARM9内核采采用哈佛佛架构，有独立立的指令令和数据据存储器器接口，允许CPU在在取指令令的同时时读写数数据。而而ARM7内核核则只有有一个存存储器接接口，取取指令或或数据访访问都得得经由此此接口。ARM9内核的的5级流流水

31、线设设计引入入了独立立的“存存储器（Memory）”和和“写回回（Write Back）”两级级流水线线，分别别用于存存储器读读写和把把结果写写回寄存存器组。3.2.1与与ARM7处理理器比较较3.指令周期期的改进进（2）互互锁技术术（interlocks）当某一条条指令需需要的源源数据由由于前面面的指令令仍未执执行完而而不可用用时，流流水线就就会发生生互锁。互锁发生生时，在在硬件上上将暂停停该指令令的执行行，直到到需要的的数据准准备好为为止。有有了互锁锁机制，ARM9得以以与以前前ARM处理器器保持二二进制代代码级别别的兼容容。在许多情情况下，编译器器或者代代码编写写者可以以通过改改变指令令

32、的顺序序或者别别的一些些技巧来来减少互互锁周期期数。3.2.1与与ARM7处理理器比较较3.指令周期期的改进进（3）分分支指令令ARM9和ARM7的的分支指指令周期期是相同同的。ARM9TDMI和ARM9E-S不支持持分支预预测。在在这些处处理器上上，跳转转的开销销相对不不那么重重要。实实现分支支预测增增加了逻逻辑开销销，导致致芯片尺尺寸增大大，却不不会带来来显著的的性能提提升。分支指令ARM7TDMI和ARM7TDMI-SARM9TDMI和ARM9E-SBranch Taken（passes its condition code check）33Branch Taken（fails its

33、condition code check）113.2ARM9处理理器简介介3.2.2OMAP5912处理器介介绍1.开开放式多多媒体应应用平台台OMAPTI于1999年5月月推出OMAP架构，OMAP处理理器家族族目前主主要有三三大系列列。OMAP平平台具有有可扩展展、灵活活而开放放的构架架，长期期以来一一直以最最佳性能能和极低低功耗而而著称。使用该该平台设设计的2.5G和3G手机可可以实现现多种应应用，如如语言处处理、视视频流、电视会会议、高高保真音音频、定定位服务务、安全全性、游游戏、移移动商务务、个人人管理等等多媒体体应用。OMAP处理器器家族3.2ARM9处理理器简介介3.2.2OMA

34、P5912处理器介介绍2.OMAP5912处理理器OMAP5912处理理器是OMAP1510系列列的一个个分支，是由TI应用用最为广广泛的TMS320C55X DSP内核核与低功功耗、高高性能的的ARM926EJ-S微处处理器组组成的双双核应用用处理器器，这两两个内核核通过一一种专用用的处理理器内部部通信机机制相连连接。C55x系列可可提供对对低功耗耗应用的的实时多多媒体处处理的支支持；ARM926可可满足控控制和接接口方面面的处理理需要。基于双双核结构构，OMAP5912具有极极强的运运算能力力和极低低的功耗耗。OMAP5912内部部功能框框图3.2ARM9处理理器简介介3.2.2OMAP5912处理器介介绍3.常常用的OMAP5912开发发工具（1）