ARM体系架构解析

1、第二章 ARM技术概述,ARM概述 ARM体系结构 Thumb技术介绍,一、ARM概述,ARM是什么？ Advanced RISC Machines 一个公司的名字英国知识产权核（IP）设计公司 一类微处理器的通称 一种技术的名字（ARM微处理器核）,ARM 微处理器的应用领域及特点 ARM处理器市场覆盖率最高、发展趋势广阔 基于ARM技术的32位微处理器，市场的占有率目前已达到80%。 绝大多数IC制造商都推出了自己的ARM结构芯片。我国的中兴集成电路、大唐电讯、中芯国际和上海华虹，以及国外的一些公司如德州仪器、意法半导体、Philips、Intel、Samsung等都推出了自己设计的基于A

2、RM核的处理器。,应用一：工业控制领域 作为32 的RISC 架构，基于ARM 核的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展，ARM 微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8 位/16 位微控制器提出了挑战。 应用二：无线通讯领域 目前已有超过85%的无线通讯设备采用了ARM 技术， ARM 以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。,应用三：网络设备 随着宽带技术的推广，采用ARM 技术的ADSL 芯片正逐步获得竞争优势。此外，ARM 在语音及视频处理上进行了优化，并获得广泛支持，也对DSP 的应用领域提出了挑战。 应用四：消费类电子产品

3、ARM 技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用。 应用五：成像和安全产品 现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用ARM 技术。手机中的32位SIM 智能卡也采用了ARM 技术。,ARM处理器的使用量,ARM处理器的特点: 1、体积小、低功耗、低成本、高性能； 2、支持Thumb（16 位）/ARM（32 位）双指令集，能很好的兼容8 位/16 位器件； 3、大量使用寄存器，指令执行速度更快； 4、大多数数据操作都在寄存器中完成； 5、寻址方式灵活简单，执行效率高； 6、指令长度固定；,几个重要概念： 冯诺依曼体系结构模型,指令寄存器,控制器,数据通道,输入,输出,中

4、央处理器,存储器,程序,指令0,指令1,指令2,指令3,指令4,数据,数据0,数据1,数据2,总线,指令的执行周期T 1）取指令（Instruction Fetch)：TF 2）指令译码（Instruction Decode）：TD 3）执行指令（Instruction Execute）：TE 4）存储（Storage）：TS 每条指令的执行周期：T= TF+TD+TE+TS,冯诺依曼体系的特点 1）数据与指令都存储在同一存储区中，取指令与取数据利用同一数据总线。 2）被早期大多数计算机所采用 3）ARM7冯诺依曼体系 结构简单,但速度较慢。取指不能同时取数据,哈佛体系结构模型,指令寄存器,控

5、制器,数据通道,输入,输出,中央处理器,程序存储器,指令0,指令1,指令2,数据存储器,数据0,数据1,数据2,总线,总线,哈佛体系结构的特点 1）程序存储器与数据存储器分开. 2）提供了较大的存储器带宽，各自有自己的总线。 3）适合于数字信号处理. 4）大多数DSP都是哈佛结构. 5）ARM9是哈佛结构 6）取指和取数在同一周期进行，提高速度， 改进哈佛体系结构分成三个存储区：程序、数据、程序和数据共用。,CISC：复杂指令集（Complex Instruction Set Computer） 具有大量的指令和寻址方式 8/2原则：80%的程序只使用20%的指令 大多数程序只使用少量的指令就

6、能够运行。 CISC CPU 包含有丰富的单元电路，因而功能强、面积大、功耗大。,RISC：精简指令集（Reduced Instruction Set Computer) 在通道中只包含最有用的指令,只提供简单的操作。 确保数据通道快速执行每一条指令 Load-store结构 处理器只处理寄存器中的数据，load-store指令用来完成数据在寄存器和外部存储器之间的传送。 使CPU硬件结构设计变得更为简单， RISC CPU包含较少的单元电路，因而面积小、功耗低,主要差别： 寄存器 RISC指令集 拥有更多的通用寄存器，每个可以存放数据和地址，寄存器为所有的数据操作提供快速的存储访问。 CIS

7、C指令集 多用于特定目的的专用寄存器。 LOAD STORE 结构 RISC结构 Cpu 仅处理寄存器中的数据，采用独立的、专用的LOAD STORE 指令来完成数据在寄存器和外存之间的传送。（访存费时，处理和存储分开，可以反复的使用保存在寄存器中的数据，而避免多次访问外存）。 CISC结构 能直接处理存储器中的数据。,流水线：是把一个重复的过程分解为若干个子过程，每个子过程可以与其他子过程同时进行。 由于这种工作方式与工厂中的生产流水线十分相似，因此，把它称为流水线工作方式。 处理器按照一系列步骤来执行每一条指令。典型的步骤为： 1）从存储器读取指令（fetch） 2）译码以鉴别它是哪一类指

8、令（dec） 3）从寄存器组取得所需的操作数（reg） 4）将操作数进行组合以得到结果或存储器地址（exe） 5）如果需要，则访问存储器存取数据（mem） 6）将结果回写到寄存器组（res）,流水线技术,三级流水线技术,流水线技术,ARM9TDMI流水线技术,Instruction Fetch,Shift + ALU,Memory Access,Reg Write,Reg Read,Reg Decode,FETCH,DECODE,EXECUTE,MEMORY,WRITE,ARM9TDMI,ARM or ThumbInst Decode,Reg Select,Reg Read,Shift,ALU

9、,Reg Write,ThumbARMdecompress,ARM decode,Instruction Fetch,FETCH,DECODE,EXECUTE,ARM7TDMI,ARM存储器以8位为一个单元存储数据(一个字节)，每个存储单元分配一个存储地址。 ARM将存储器看作是从零地址开始的字节的线性组合。作为32位的微处理器，ARM体系结构所支持的最大寻址空间为4GB（232字节）。 从零字节到三字节放置第一个存储的字数据，从第四个字节到第七个字节放置第二个存储的字数据，依次排列。 32位的字数据要使用4个地址单元，16位半数据要使用2个地址单元。 这样，就存在一个所存储的字或半字数据的排

10、列顺序问题。ARM体系结构可以用两种方法存储字数据，称为大端格式和小端格式 。,ARM存储格式,大端格式(big-endian)：字数据的高字节存储在低地址中，而字数据的低字节则存放在高地址中。 小端格式(low-endian)：与大端存储格式相反。低地址中存放的是字数据的低字节，高地址存放的是字数据的高字节。缺省设置为小端格式。,ARM存储格式,ARM存储格式,大端的数据存放格式 小端的数据存放格式,低地址,高地址,地址A,地址A+1,地址A+2,地址A+3,word a=0 x f6 73 4b cd,f6,73,4b,cd,低地址,高地址,地址A,地址A+1,地址A+2,地址A+3,f6

11、,73,4b,cd,二、ARM体系结构,ARM系列产品表示,ARM 926EJ-S,Family number 7: ARM7 9: ARM9 10: ARM10 11: ARM11,Memory system 2: Cache, MMU, Process ID 4: Cache, MPU 6: Write buffer, no cache,Memory size 0: Cache size (4-128KB) 2: Reduced cache size 6: TCM,Synthesizable,Extensions E: DSP extension J: Jazelle extension

12、T: Thumb support ,ARM处理器的分类 基于指令集体系结构的分类 v1，v2，v5，v5TEJ，v6等 基于处理器内核的分类 ARM7，ARM9，ARM10，ARM11，StrongARM，XScale等,ARM体系结构版本 ARM架构自诞生至今,已经发生了很大的演变,至今已定义的版本有： V1版架构 V2版架构 V3版架构 V4版架构 V5版架构 V6版架构,V1版架构 该版架构只在原型机ARM1出现过,其基本性能： 基本的数据处理指令(无乘法) 字节、半字和字的LOAD/STORE指令 转移指令，包括子程序调用及链接指令 软件中断指令 寻址空间：64M字节(26),V2版架

13、构 该版架构对V1版进行了扩展,如ARM2架构,增加了以下功能： 乘法和乘加指令 支持协处理器操作指令 快速中断模式 SWP/SWPB基本存储器与寄存器交换指令 寻址空间：64M字节,V3版架构 把寻址空间增至32位(4G字节), 增加了当前程序状态寄存器CPSR和程序状态保存寄存器SPSR以便于异常的处理。 增加了中止和未定义二种处理器模式。 ARM6就采用该版架构。 指令集变化如下： 增加了MRS/MSR指令,以访问新增的CPSR/SPSR寄存器 增加了从异常处理返回的指令功能。,V4版架构 V4版架构是目前应用最广的ARM体系结构,对V3版架构进行了进一步扩充,有的还引进了16位的Thu

14、mb指令集,使ARM使用更加灵活。ARM7、ARM8、ARM9和StrongARM都采用该版架构。指令集中增加了以下功能： 有符号、无符号的半字和有符号字节的Load/Store指令。 增加了16位Thumb指令集 完善了软件中断SWI指令的功能 增加了处理器的特权模式。,V5版架构 这是最近几年推出ARM架构,在V4版基本上增加了一些新的指令,ARM10和XScale都采用该版架构,这些新增指令有： 带有链接和交换的转移BLX指令 计数前导零CLZ指令 BKPT软件断点指令 增加了信号处理指令 为协处理器增加更多可选择的指令,v6版架构 2001年发布的 适合使用电池供电的便携式设备 增加了

15、 SIMD功能扩展，提高了嵌入式应用系统的音频、视频处理能力。 首先在2002年发布的ARM11处理器中使用,ARM处理器内核系列： ARM7 Family,ARM9 Family,ARM10 Family,ARM11 Family,指令集体系结构（ISA）,注：v5T支持的Thumb是对v4T中的Thumb的扩展,ARM芯片选择的一般原则 从应用的角度，对在选择ARM芯片时所应考虑的主要因素有： (1)ARM芯核 如果希望使用WinCE或Linux等操作系统以减少软件开发时间，就需要选择ARM720T以上带有MMU功能的ARM芯片. (2)系统时钟控制器 系统时钟决定了ARM芯片的处理速度。

16、ARM7的处理速度为0.9MIPS/MHz,常见的ARM7芯片系统主时钟为20MHz-133MHz,ARM9的处理速度为1.1MIPS/MHz,常见的ARM9的系统主时钟为100MHz-233MHz, ARM10最高可以达到700MHz,(3) 内部存储器容量 在不需要大容量存储器时，可以考虑选用有内置存储器的ARM芯片。 (4) GPIO数量 在某些芯片供应商提供的说明书中，往往申明的是最大可能的GPIO数量，但是有许多引脚是和地址线、数据线、串口线等引脚复用的。这样在系统设计时需要计算实际可以使用的GPIO数量。,P307-表6.26,(5) USB接口 许多ARM芯片内置有USB控制器，

17、有些芯片甚至同时有USB Host和USB Slave控制器。 (6) 中断控制器 ARM内核只提供快速中断(FIQ)和标准中断(IRQ)两个中断向量。但各个半导体厂家在设计芯片时加入了自己不同的中断控制器，以便支持诸如串行口、外部中断、时钟中断等硬件中断。外部中断控制是选择芯片必须考虑的重要因素，合理的外部中断设计可以很大程度的减少任务调度的工作量。,(7) LCD控制器 有些ARM芯片内置LCD控制器，有的甚至内置64K彩色TFT LCD控制器。在设计PDA和手持式显示记录设备时，选用内置LCD控制器的ARM芯片较为适宜。 (8)扩展总线 大部分ARM芯片具有外部SDRAM和SRAM扩展接

18、口，不同的ARM芯片可以扩展的芯片数量即片选线数量不同，外部数据总线有8位、16位或32位。某些特殊应用的ARM芯片如德国Micronas的PUC3030A没有外部扩展功能。 (9)DSP协处理器 (10)封装 主要的封装有QFP、TQFP、PQFP、LQFP、BGA、LBGA等形式，BGA封装具有芯片面积小的特点，可以减少PCB板的面积，但是需要专用的焊接设备，无法手工焊接。另外一般BGA封装的ARM芯片无法用双面板完成PCB布线，需要多层PCB板布线。,三、Thumb技术介绍,ARM的RISC体系结构的发展中已经提供了低功耗、小体积、高性能的方案。而为了解决代码长度的问题，ARM体系结构又增加了变种，开发了一种新的指令体系，这就是Thumb指令集，它是ARM技术的一大特色。,Thu