第2章 ARM体系结构.ppt

1、第2章ARM架构、2.1 ARM架构概要、ARM(Advanced RISC Machines )公司设立于1991年英国剑桥，是一家专门针对基于RISC技术的芯片设置开发的公司，主要销售芯片设置修订技术的授权、知识本身不直接从事芯片生产的半导体制造商从ARM公司购买修订的ARM微处理器核心，根据各个应用领域，通过添加适当的外围电路，形成独自的ARM微处理器芯片进入市场。 目前，全世界数十家半导体公司使用ARM公司的许可证，ARM技术得到更多的第三方工具、制造、软件支持，并降低了整个系统的成本，使产品更容易进入市场，具有竞争力。 目前，ARM微处理器在工业控制、无线通信、网络应用、家电、成像和

2、安全产品领域采用RISC架构的ARM微处理器一般具有以下特点： Thumb(16位)/ARM(32位) 与8位经常兼容的Thumb指令集具有使用3级流水线/5级流水线技术的指令高速缓存和数据高速缓存，并且通过大量使用寄存器来执行比通常的8位和16位CISC/RISC处理更高代码密度的指令大部分数据操作都是通过寄存器进行的。 寻址方式灵活简单，执行效率高。 指令长度固定(在ARM状态下为32位，在Thumb状态下为16位)为了存储字数据，支持大端格式和小端格式两种方法： Byte (字节，8位)、HalfWord (半字，16位) 支持用户、快速中断、中断、管理、中断、系统和未定义的7种处理器模

3、式，除用户模式外，其他模式均为特权模式。处理器芯片包含在线模拟ICE-RT逻辑。 易于通过JTAG模拟ARM架构芯片，使用昂贵的在线模拟器，并在处理器内核中嵌入跟踪宏单元ETM，用于监视内部总线、实时跟踪指令和数据运行AMBA是先进的高性能总线(AHB )； 先进系统总线ASB (高级系统总线)； 高级外围总线APB (高级外围总线)。 AMBA可以轻松扩展各种处理器和I/O，并将DSP、其他处理器和i/o(uart、计时器、接口等)合并到一个芯片中。 将存储器映像的I/O方式、即I/O端口地址设为特殊的存储器地址。 有协处理器接口。 ARM可以连接16个协处理器，例如CP15用于系统控制，C

4、P14用于调试控制器等。通过降低电源电压，减少在3.0V以下工作的门的翻转次数，在不需要某个功能电路的情况下，减少禁止门翻转的门的数量ARM微处理器基于ARM体系结构，包括ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、安全核心、英特尔StrongARM、XScale和其他供应商。 除ARM架构的通用特征之外，处理器的典型ARM架构方框图还可包括如图2.1.1所示的32位ALU、31个32位通用寄存器和6位状态寄存器、328位乘法器3232位桶形移位寄存器图2.1.1 ARM架构的框图、1ALU ARM架构的ALU与常用ALU逻辑结构基本上相同，由两个操作数锁存器、加法器、逻辑功能、结果和零检测

5、逻辑组成。 ALU的最小数据路径周期包括诸如寄存器读取时间、移位延迟、ALU延迟、寄存器写入器设置时间、两个时钟之间的非重叠时间等的一些部分。2桶式移位寄存器ARM采用3232位的桶式移位寄存器，并且能够一次完成左移位右移位n位、环形移位n位和算术右移位n位等，从而可有效地降低移位的延迟时间。 在桶形移位寄存器中，所有的输入端通过交叉开关连接到所有的输出端。 交叉开关是使用NMOS晶体管实现的。 3高速乘法器ARM采用2比特乘法来提高运算速度，2比特乘法能够利用乘法的2比特来实现“移位”运算。 ARM的高速乘法器配置为328位，完成322位乘法只需要5个时钟周期。 另外，在4浮点组件ARM架构

6、中，浮点组件可根据需要进行选择，FPA10浮点加速器以协处理器方式连接到ARM，并通过协处理器指令的解释来执行。 为了使浮点的Load/Store指令使用频率达到67，FPA10内部也采用了Load/Store结构，有8个80位浮点寄存器集，指令执行也采用了流水线结构。 5控制器ARM的控制器采用硬线可编程逻辑阵列PLA，其输入端为14条，输出端为40条，分散控制Load/Store复用、乘法器、协处理器和地址、寄存器ALU和移位器。 6发射器ARM包括37个发射器，包括31个通用32位发射器和6个状态发射器。2.2 ARM微处理器结构、2.2.1 ARM7微处理器ARM7系列微处理器包括AR

7、M7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ这几种类型。 其中ARM7TMDI是目前被广泛使用的32位嵌入式RISC处理器，采用三级管线结构并入有硬件乘法器，所述三级管线结构能够提供最高130MIPS的主频率和0.9MIPS/MHz 支持嵌入式ICE的指令系统与ARM9系列、ARM9E系列、ARM10E系列兼容，支持Windows CE、Linux、Palm OS等操作系统。 典型产品如三星公司的S3C4510B。 1ARM7TDMI处理器内核ARM7TDMI处理器的内核如图2.2.1所示。 另外，如图2.2.2所示，图2.2.1 ARM7TDMI内核结构、ARM7TDMI

8、还提供存储器接口、MMU接口、协处理器接口和调试接口、时钟和总线等控制信号。 存储器接口包括32位地址a 313至3600、双向32位数据总线d 313至3600、单向32位数据总线din 313至3600和dout 313至3600、存储器访问请求MREQ、地址顺序SEQ、内存访问控制ARM7TDMI处理器内核(包括数据闩锁控制BL3:0 )也可以以ARM7TDMI-S软内核(Softcore )格式提供给用户。 同时，还提供了省略嵌入式ICE单元等各种组合的选择。 图2.2.2 ARM7TDMI接口、2ARM720T/ARM740T处理器核ARM720T处理器核向ARM7TDMI处理器核添

9、加了8KB数据和指令Cache，支持段和页面存储与ARM720T处理器核心相比，ARM740T处理器核心的结构基本相同，ARM740T处理器核心没有内存管理单元MMU，不支持虚拟内存地址，并且内存保护单元提供基本保护和高速缓存控制价格低、功耗低的嵌入式应用程序。图2.2.3 ARM720T内核结构、2.2.2 ARM9微处理器ARM9系列微处理器包括ARM920T、ARM922T、ARM940T几种类型，可以在高性能和低功耗特性方面提供最佳性能。 采用5段整数管线，指令执行效率更高。 提供1.1MIPS/MHz的硬件结构。 支持数据缓存和命令缓存，具有更高的命令和数据处理能力。 支持32位AR

10、M指令集和16位Thumb指令集。 支持32位高速AMBA总线接口。 全性能MMU支持多种主要嵌入式操作系统，包括Windows CE、Linux和Palm OS操作系统。 MPU支持实时操作系统。 ARM920T处理器核可向ARM9TDMI处理器核添加经分离的指令高速缓存和数据高速缓存，如图2.2.4所示，并具有相应的存储器管理单元I-MMU和D-MMU、写缓冲器和AMBA接口等图2.2.4 ARM920T核心结构，ARM940T处理器核心采用ARM9TDMI处理器核心，简化了ARM920T处理器核心，没有内存管理单元MMU，不支持虚拟内存地址，内存保护单元不支持内存保护和caap ARM9

11、系列微处理器主要应用于无线通信设备、纠错器、安全系统、机顶盒、高端打印机、数码相机和数码摄像机等。 典型产品如三星公司的S3C2410A。 2.2.3 ARM9E微处理器ARM9E系列微处理器包括多种类型的ARM926EJ-S、ARM946E-S和ARM966E-S，并且使用单个处理器核心提供了微控制器、DSP、Java ARM9E系列微处理器提高了DSP的处理能力，非常适合需要同时使用DSP和微控制器的应用。 ARM9E系列微处理器支持DSP指令集，适用于需要高速数字信号处理的场合。 ARM9E系列微处理器采用5级整数管线，支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集，支持32位高速AMB

12、A总线接口，支持VFP9浮点协处理器，MMU为winn 支持Palm OS等多种主流嵌入式OS的ARM9系列微处理器主要应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、网络设备等领域。 2.2.4 ARM10E微处理器ARM10E系列微处理器包括多种类型的ARM1020E、ARM1022E和ARM1026EJ-S，并且采用了新的体系结构ARM10E系列微处理器支持DSP指令集，适用于需要高速数字信号处理的情况。 6级整数管线，支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集，支持32位高速AMBA总线接口，支持VFP10浮点处理协处理器，MMU支持Windows CE、Linux

13、、 支持Palm OS等多种主流嵌入式OS、支持数据缓存和指令缓存的ARM10E系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、通信、信息系统等领域。 2.2.5安全核心微处理器安全核心系列微处理器包括安全核心sc 100、安全核心sc 110、安全核心sc 200、安全核心sc 210类型， SecurCore系列微处理器提供完美的32位RISC，不仅具有ARM体系结构的主要特性，而且在系统安全方面还具有灵活的保护单元，可确保操作系统和应用程序数据的安全SecurCore系列微处理器主要应用于电子商务、电子政务、电子银行业务、网络和认证系统等安全要求高的应用和应用系统。

14、 2.2.6 StrongARM微处理器英特尔strong ARM处理器是采用arm体系结构高度集成的32位RISC微处理器，在软件上与ARMv4体系结构兼容，同时也是英特尔典型产品包括SA110处理器、SA1100、SA1110PDA系统芯片、SA1500多媒体处理器芯片等。 例如，英特尔strongarmsa-1110微处理器包括32位StrongARM RISC处理器核心、系统支持逻辑、多通信信道、LCD控制器、内存和PCMCIA控制器、通用I 此处理器最高可以运行206 MHz。 SA-1110包括大型命令缓存和数据缓存、内存管理单元(MMU )和读/写缓存。 存储器总线可以连接诸如S

15、DRAM、SMROM和SRAM之类的许多设备。 软件与ARM V4结构处理器系列兼容。 英特尔strongarm处理器非常适合便携式通信和消费电子产品。2.2.7 XScale微处理器英特尔xscale微体系结构支持16位Thumb指令和DSP扩展，提供基于ARMv5TE体系结构的新型、高性价比、低功耗解决方案基于XScale技术开发的微处理器可用于移动电话、个人数字助理(PDA )、网络存储设备、骨干路由器等。 英特尔xscale处理器的处理速度是英特尔strongarm的处理速度的两倍，数据缓存的容量从8KB增加到32KB，命令缓存的容量从16KB增加到32KB，微小数据缓存的容量从512

16、B增加到2KB。 为了提高指令的执行速度，超级管线结构从5阶段增加到7阶段增加了乘法/加法器MAC和特定的DSP型协处理器，通过提高多媒体技术的支持的动态电源管理，XScale处理器的时钟为1GHz，功耗为1.6W XScale微处理器体系结构经过特别修订，内核具有采用英特尔先进的0.18m工艺技术制造的低功耗特性，适用范围为0.1mW1.6W。 同时，时钟的工作频率接近1GHz。 XScale与StrongARM相比，可以大幅降低工作电压，获得更高的性能。 具体而言，在当前的StrongARM中，在1.55V中得到133MHz的动作频率，在2.0V中得到206MHz的动作频率。 采用XScale，0.75V时工作频率高达