第2章ARMTHUMB微处理器结构及指令系统

第2章ARM/THUMB微处置器构造及指令系统 本章简要引见了ARM/THUMB微处置器的一些根本概念、运用领域及特点，以引导读者进入ARM/THUMB的殿堂。本章主要内容有：◆ARM/THUMB及相关技术简介◆ARM/THUMB微处置器系列◆ARM/THUMB微处置器的构造◆ARM/THUMB指令系统2.1ARM微处置器概述 ARM(AdvancedRISCMachines)，既可以以为是一个公司的名字，也可以以为是对一类微处置器的通称，还可以以为是一种技术的名字。 1991年ARM公司成立于英国剑桥，主要出卖芯片设计技术的授权。目前，采用ARM技术知识产权(IP)核的微处置器，即我们通常所说的ARM微处置器，已普及工业控制、消费类电子产品、通讯系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于ARM技术的微处置器运用约占据了32位RISC微处置器75%以上的市场份额，ARM技术正在逐渐渗入到我们生活的各个方面。 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，它本身不直接从事芯片消费，靠转让设计答应，由协作公司消费各具特征的芯片，世界各大半导体消费商从ARM公司购买其设计的ARM微处置器核，根据各自不同的运用领域，参与适当的外围电路，从而构本钱人的ARM微处置器芯片进入市场。 目前，全世界有几十家大的半导体公司都运用ARM公司的授权，因此既使得ARM技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整个系统本钱降低，从而使产品更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力。2.1.1ARM处置器系列 下面所列的是ARM微处置器的几个系列，以及其他厂商基于ARM体系构造的处置器，这些处置器除了具有ARM体系构造的共同特点以外，每一个系列的ARM微处置器都有各自的特点和运用领域。 ◆ARM7系列 ◆ARM9系列 ◆ARM9E系列 ◆ARMl0E系列 ◆SecurCore系列 ◆Intel的Xscale ◆Intel的StrongARM1.ARM7微处置器系列ARM7系列微处置器为低功耗的32位RISC处置器，最适宜用于对价位和功耗要求较高的消费类运用。ARM7微处置器系列具有如下特点:具有嵌入式ICE〔In-CircuitEmulator〕—RT逻辑，调试开发方便。极低的功耗，适宜对功耗要求较高的运用，如便携式产品。可以提供0.9MIPS/MHz的三级流水线构造。代码密度高并兼容16位的Thumb指令集。对操作系统的支持广泛，包括WindowsCE、Linux、PalmOS等。指令系统与ARM9系列、ARM9E系列和ARMl0E系列兼容，便于产品晋级换代。主频最高可达130MIPS，高速的运算处置才干能胜任绝大多数的复杂运用。ARM的JTAG调试接口1。ARM的JTAG调试构造一个典型的ARM基于JTAG调试构造如下图。Debug主控〔Host〕通常是运转有ARM公司或者第三方提供的调式软件的PC，通常用的调试软件有ARMDebugforWindow(ADW),Linux下的arm-elf-gdb等。经过这些调试软件，可以发送高级的ARM指令，比如：设置簖点，读写存储器，单步跟踪，全速运转等。协议转换器〔Protrocolconverter〕担任转换Debug主控端发出的高级ARM调式命令为底层的和ARM内核通讯的JTAG命令。Debug主控端和协议转换器之间的介质可以有很多种，比如：以太网，USB，RS-232，并口等。主控端和协议转换器之间的通讯协议最典型的就是ARM公司提供的Angle规范，也可以是第三方厂家本人定义的规范。关于Angle的协议，请参考ARMSDT和ADS，ajj公司的OpenICE32,EPI公司的Jeeni等。协议转换器〔Protrocolconverter〕担任转换Debug主控端发出的高级ARM调式命令为底层的和ARM内核通讯的JTAG命令。Debug主控端和协议转换器之间的介质可以有很多种，比如：以太网，USB，RS-232，并口等。主控端和协议转换器之间的通讯协议最典型的就是ARM公司提供的Angle规范，也可以是第三方厂家本人定义的规范。关于Angle的协议，请参考ARMSDT和ADS，ajj公司的OpenICE32,EPI公司的Jeeni等。Debug目的板就是指系统的调试对象．以一个典型的ARM7TDMI处置器内核为例,阐明ARM7TDMI内核的JTAG调试构造．ARMJTAG的JTAG宏单元〔Macricell〕主要包括3条JTAG扫描链〔ScanChain〕和一个JTAG的控制TAP形状机。2．JTAG与AngelJTAG调试：协议转换器解释上位机传送来的命令，经过JTAG控制ARM执行。Angle调试：协议转换器可以直接做为目的板Firmware的一部分.直接执行从宿主机转送过来的调试指令；并回送相应数据。Angel可以节省专门的JTAG仿真器，但是，它需求软件，或者是嵌入式操作系统的支持，做不到完全的实时仿真。而JTAG仿真是经过硬件和控制ARM的EmbeddedICE实现的可以做到实时仿真。JTAG的根本知识1.什么是JTAGJTAG是JointTestActionGroup的缩写：是IEEE1149.1规范。2.运用JTAG的优点JTAG的建立使得集成电路固定在PCB上，只经过边扫描便可以经过测试。在ARM7TDMI处置器中，可以经过JTAG直接控制ARM的内部总线，I/O口等信息，从而到达调试的目的。3.JTAG的典型信号TMS：测试方式选择〔TestModeSelect〕,经过TMS信号控制JTAG形状机的形状。TCK：JTAG的时钟信号。TDI：数据输入信号。TDO：数据输出信号。nTRST：JTAG复位信号，复位JTAG的形状机和内部的宏单元〔Macrocell〕。4.JTAG形状机5.JTAG链的组成ARM7TDMI内核的JTAG扫描链构造ARM7TDMI内核的JTAG扫描链构造.主要包括３条扫描链：Scanchain0,Scanchain1Scanchain2.ScanChain0:有113个扫描单元,包括ARM核的一切I/O,地址数据总线和输入输出控制信号.这条链上的信号复杂,不易控制,但是,包含的信息丰富,可以经过这条链得到ARM7TDMI一切的内核信息。ScanChain1：有33个扫描单元，包括ARM核的数据总线和一个断点控制信号。这是一条很有用地链，经过控制这条链，可以控制ARM核执行指定的指令，从而实现对ARM的内部存放器，协处置器以及外部存储器的读写操作。ScanChain2：有38个扫描单元，经过控制EmbeddedICE宏单元，实现对ARM执行指令的断点，察看点控制。EmbeddedICE是集成在ARM内核的中的嵌入式ICE防真器。其构造如下图。经过对EmbeddedICE的控制，对EmbeddedICE中存放器的读取，可以获得ARM内核的形状，为程序设置断点以及读取Debug通讯通道。ARM7系列微处置器的主要运用领域为：工业控制、Internet设备、网络和调制解调器设备、挪动等多种多媒体和嵌入式运用。ARM7系列微处置器包括如下几种类型的核：ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ。其中，ARM7TDMI是目前运用最广泛的32位嵌入式RISC处置器，属低端ARM处置器核。TDMI的根本含义为：T：支持16位紧缩指令集Thumb；D：支持片上Debug；M：内嵌硬件乘法器(Multiplier)；I：嵌入式ICE，支持片上断点和调试点。本书所引见的Samsung公司的S3C44b0X即属于该系列的处置器。2.ARM9微处置器系列ARM9系列微处置器在高性能和低功耗特性方面提供最正确的性能。具有以下特点：5级整数流水线，指令执行效率更高。提供1.1MIPS/MHz的哈佛构造。支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。支持32位的高速AMBA总线接口。全性能的MMU，支持WindowsCE、Linux、PalmOS等多种主流嵌入式操作系统。MPU支持实时操作系统。支持数据Cache和指令Cache，具有更高的指令和数据处置才干。ARM9系列微处置器主要运用于无线设备、仪器仪表、平安系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。ARM9系列微处置器包含ARM920T、ARM922T和ARM940T三种类型，以适用于不同的运用场所。3.ARM9E微处置器系列ARM9E系列微处置器为可综合处置器，运用单一的处置器内核提供了微控制器、DSP、Java运用系统的处理方案，极大地减少了芯片的面积和系统的复杂程度。ARM9E系列微处置器提供了加强的DSP处置才干，很适宜于那些需求同时运用DSP和微控制器的运用场所。

ARM9E系列微处置器的主要特点如下:支持DSP指令集,适宜于需求高速数字信号处置的场所。5级整数流水线,指令执行效率更高.支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集.支持32位的高速AMBA(先进的微控制器总线体系构造)总线接口.支持VFP9浮点处置协处置器.全性能MMU,支持WindowsCE、Linux、PalmOS等多种主流嵌入式操作系统。MPU支持实时操作系统。支持数据Cache和指令Cache，具有更高的指令和数据处置才干。主频最高可达300MIPS。ARM9系列微处置器主要运用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、存储设备和网络设备等领域。ARM9E系列微处置器包含ARM926EJ-S、ARM946E-S和ARM966E-S3种类型，以适用于不同的运用场所。4.ARMl0E微处置器系列ARMl0E系列微处置器具有高性能、低功耗的特点，由于采用了新的体系构造，与同等的ARM9器件相比较，在同样的时钟频率下，性能提高了近50%,同时,ARMl0E系列微处置器采用了两种先进的节能方式,使其功耗极低。ARMl0E系列微处置器的主要特点如下：支持DSP指令集，适宜于需求高速数字信号处置的场所。6级整数流水线，指令执行效率更高。支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。支持32位的高速AMBA总线接口。支持VFPl0浮点处置协处置器。全性能MMU，支持WindowsCE、Linux、PalmOS等多种主流嵌入式操作系统。支持数据Cache和指令Cache，具有更高的指 令和数据处置才干。主频最高可达400MIPS。内嵌并行读写操作部件。ARMl0E系列微处置器主要运用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、通讯和信息系统等领域。ARMl0E系列微处置器包含ARMl020E,ARMl022E和ARMl026EJ-S3种类型，以适用于不同的运用场所。5.SecurCore微处置器系列SecurCore系列微处置器专为平安需求而设计，提供了完善的32位RISC技术的平安处理方案，因此，SecurCore系列微处置器除了具有ARM体系构造的低功耗、高性能的特点外，还具有独特的优势，即提供了对平安处理方案的支持。SecurCore系列微处置器除了具有ARM体系构造各种主要特点外，还在系统平安方面具有如下的特点：带有灵敏的维护单元，以确保操作系统和运用数据的平安。采用软内核技术,防止外部对其进展扫描探测。可集成用户本人的平安特性和其他协处置器。SecurCore系列微处置器主要运用于一些对平安性要求较高的运用产品及运用系统，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。SecurCore系列微处置器包含：SecurCoreSCl00、SecurCoreSCll0、SecurCoreSC200和SecurCoreSC2104种类型，以适用于不同的运用场所。6.StrongARM微处置器系列IntelStrongARMSA-1100处置器是采用ARM体系构造高度集成的32位RISC微处置器。它交融了Intel公司的设计和处置技术，以及ARM体系构造的电源效率，采用在软件上兼容ARMv4体系构造、同时采器具有Intel技术优点的体系构造。IntelStrongARM处置器是便携式通讯产品和消费类电子产品的理想选择，已胜利运用于多家公司的掌上电脑系列产品。7.Xscale处置器Xscale处置器是基于ARMv5TE体系构造的处理方案，是一款性能全、性价比高、功耗低的处置器。它支持16位的Thumb指令和DSP指令集,已运用在数字挪动、个人数字助理和网络产品等场所。Xscale处置器是Intel目前主要推行的一款ARM微处置器2.1.2RISC体系构造ARM处置器实现加载／存储(load/store)体系构造是典型的RISC处置器。只需加载和存储指令可以访问存储器。数据处置指令只对存放器的内容进展操作。精简指令集计算机RISC(ReducedInstructionSetComputer)构造的产生是相对于传统的复杂指令集计算机CISC(ComplexInstructionSetComputer)构造而言的。虽然在1979年美国加州大学伯克利分校的帕特逊等人即提出了这个名字,但不同的看法使得目前尚未有对RISC的严厉定义。比较普遍的以为是,RISC应该是一种计算机设计的根本原那么,它的出现标志着计算机体系构造开展上的一个重要里程碑。传统的CISC计算机的指令集随着计算机的开展而引入了各种各样的复杂指令,使得指令集和为此要实现这些指令的计算机体系构造越来越复杂,曾经不堪重负。经过大量的研讨和分析,发如今CISC的指令集中,各种指令的运用频度相差悬殊。大约有20%的指令被反复运用,运用量约占整个程序的80%;而有80%左右的指令那么很少运用,其运用量约占整个程序的20%。这就是所谓的20%—80%定律。RISC特点如下：指令规整、对称、简单。指令小于100条，根本寻址方式有2~3种。单周期指令。指令字长度一致，单拍完成，便于流水操作;ARM7三级流水线：取指、译码、执行；ARM9五级流水线；ARMl0六级流水线。大量的存放器。存放器不少于32个。数据处置器的指令只对存放器的内容操作。只需加载／存储指令可以访问存储器。 ARM指令体系构造运用了加载／存储体系构造、固定长32位指令和3地址指令格式的RISC特性；舍弃了存放器窗口、延迟转移和一切指令单周期的RISC特性。2.1.3ARM和Thumb形状ARM体系构造v4T及以上版本定义了称为Thumb指令集的16位指令集。Thumb指令集的功能是32位ARM指令集的功能子集。Thumb在性能和代码大小之间提供了出色的折中。正在执行Thumb指令集的处置器是任务在Thumb形状下。正在执行ARM指令集的处置器是任务在ARM形状下。在ARM形状下的处置器不能执行Thumb指令,在Thumb形状下的处置器也不能执行ARM指令。必需确保处置器不接受对当前形状来说为错误指令集的指令。每个指令集都包括切换处置器形状的指令。ARM处置器总是在ARM形状下开场执行代码。ARM处置器支持7种处置器方式，取决于体系构造版本。2.1.4.存放器ARM处置器有37个存放器。存放器被安排成部分重叠的组(overlap--pingbank)。每种处置器方式都有不同的存放器组。分组的存放器在处置处置器异常和特权操作时可得到快速的上下文切换。通常存放器R13用做堆栈指针。在用户方式下，R14用做链接存放器(LR)，在子程序调用时用来保管前往地址。假设前往地址保管在通讯堆栈中，那么它也可用做通用存放器。在异常处置方式下,R14用来保管异常的前往地址。程序计数器用R15(或PC)访问。在ARM形状下每条指令加1个字(4个字节)，或在Thumb形状下每条指令加2个字节。分支指令把目的地址加载到程序计数器中。也可以运用数据操作指令直接加载程序计数器。在执行时，R15不包含当前执行指令的地址。典型情况下，当前正在执行指令的地址对于ARM形状是PC—8，或对于Thumb形状是PC—4。2.1.5ARM指令集概述一切ARM指令是32位长度。指令以字对准保管，这样ARM形状指令地址的最低2位总是零。一些指令运用最低有效位断定代码是转向Thumb代码还是ARM代码。具有字节(8位)、半字(16位)、字(32位)带符号或无符号数传送才干。2.1.6Thumb指令集概述一切Thumb指令是16位长度,在存储器中半字对准保管。因此,指令的最低有效位在Thumb形状下总是为零。对于一切Thumb数据处置指令有：操作存放器中全部为32位值；数据访问和取指运用全32位地址。条件分支指令是根据CPSR中ALU的形状标志有条件执行的独一的Thumb指令。在Thumb形状下，大多数指令只能访问R0～R7。存放器R8~R15是被限制访问的存放器。在Thumb形状下它们用高存放器表示。Thumb形状只在分立操作时运用桶式移位，具有LSI、LSR、ASR或ROR指令。Thumb体系构造的扩展使得在8/16位系统价钱下可得到32位性能，即最小化系统存储器大小和价钱下出色的代码密度；在低系统价钱的8或16位总线上由16位存储器得到32位性能。Thumb是32位体系构造的扩展。Thumb指令集是大多数常用的32位ARM指令的子集，紧缩成16位宽操作码。在执行时，16位指令透明地实时解紧缩成全32位ARM指令且没有性能损失。设计者可以运用16位Thumb和32位ARM指令集。在于程序级可根据运用需求，灵敏地强调性能或代码大小。Thumb比通常的8和16位CISC/RISC控制器有更好的代码密度，是传统32位体系构造代码大小的一部分。这意味着程序存储器可以更小，因此降低了本钱。3AMBA总线先进的微控制器总线体系构造AMBA规范定义了三种总线：AHB〔AdvancedHigh-performanceBus〕：用于衔接高性能系统模块。它支持突发数据传输方式及单个数据传输方式，一切时序参考同一个时钟沿；ASB〔AdvancedSystemBus〕：用于衔接高性能系统模块，它支持突发数据传输方式；APB〔AdvancePeripheralBus〕：是一个简单接口支持低性能的外围接口。一个典型的基于AMBA的微控制器同时集成AHB〔或ASB〕和APB接口，如下图。ASB总线是旧版的系统的总线，而新版的AHB总线加强了对性能、综合及时序验证的支持。APB总线通常用作的部分的第二总线，作为AHB或ASB上的单个从属模块。根据AMBA的规范,衔接AHB/ASB和APB的APB桥的独一功能是提供更简单的接口。任何由低性能外围设备产生的延迟会由衔接高性能(AHB/ASP)总线的桥反映出来。桥本身仿佛是一个简单APB总线的主设备，它访问与之相连的从设备，并且经过高性能总线上控制信号的子集控制它们。下面给出AHB、ASB和APB的主要特征.3.1AHBAHB是先进的系统总线。它主要的目的就是衔接共性能、高吞吐率的设备，例如CPU、DMA和DSP。它的主要特性:高性能新一代总线；多控制器；分段传输；单周期总线控制权移交；没有三态实现方式；32～128位总线宽；包含一种访问维护机制，用来区别特权访问和无特权访问方式，或指令和数据提取等；突发传输方式最大为16节；访问空间限制在32位；提供为较慢设备运用而扼制数据流的机制；支持仲裁、REQ、GNT和LOCK；支持字节、半字和字传输。AHB总