嵌入式系统第二章 ARM微处理器的体系结构.ppt

1、2.1 ARM微处理器，2.1.1 ARM微处理器概述，arm高级RISC机器，精简指令集计算机， ARM32位RISC结构IP第2章ARM微处理器的体系结构，英国ARM公司32名RISC体系结构IP核心提供商，ARM公司是英国先进的RISC机器公司(高级RISC机器，简称ARM公司) 作为chipless生产模式最成功的模范，介绍的半导体公司基于ARM技术，根据自己的产品定位，追加自己的设定修订，推出芯片产品，最后，OEM客户使用这些芯片构建基于ARM技术的最终应用产品高级RISC机器(arm )公司是世界领先的嵌入式微处理器IP核心提供商(intellectual property )；

2、ARM微处理器核心提供高性能、低功耗、低成本、高可靠的RISC处理器核心、外围部件、系统级芯片应用程序和配置修订方案，包括移动通信工具、手持计算机、多媒体适用于嵌入式系统解决方案，ARM处理器是缩小指令集计算机(RISC) 1990年，ARM特别是为了扩大ARM技术的开发而成立了独立的公司。 此后，ARM被世界各地许多半导体制造商授权。 成为以低功耗追求成本的嵌入式应用程序的市场领先者。 ARM的全球合作伙伴，半导体和系统合作伙伴操作系统合作伙伴开发工具合作伙伴ARM技术共享计划(ATAP )，ARM2002年的市场份额， ARM的应用领域ARM7系列ARM9系列ARM9E系列ARM10E系列

3、ARM11系列英特尔的xscale英特尔的StrongARM SecurCore系列、通用型、2.1.2 ARM系列微处理器、1 ARM7:32位ARM架构4T版本： T:“Thumb”16位压缩指令集d :芯片上调试(Debug )，使得处理器能够停止以响应调试请求m :与上一代产品相比，可提供更高性能和64位结果的增强multiplier I :“嵌入式ice”硬件支持片上断点和视点。 ARM7系列核介绍，1)ARM7TDMI组织结构，关键特性是ARM体系结构版本4T； 支持Thumb指令集， 降低开销328 DSP乘法器32位地址空间- -包括嵌入式ice模块，支持- 4GB线性地址空间

4、嵌入式系统调试。JTAG控制逻辑可能是处理器核心的一部分，是广泛的ARM和第三方处理器ARM7系列核心介绍，2)ARM7TDMI硬件接口根据接口信号的功能，提供内存接口、MMU接口、芯片上调试、 被划分为十四种接口信号的每个接口信号包括：接口信号和接口控制信号，如JTAG边界扫描扩展和时钟接口，ARM7TDMI核的外围硬件接口信号图，ARM7系列核介绍，3 ) ARM7TDMI应用程序广泛应用于存储器部署相对简单的系统中，最成功的典型是移动电话、PDA，在此应用程序中，根据控制和用户接口功能的2、ARM9系列核心，ARM9TDMI是管道ARM9TDMI的性能在相同的工艺条件下达到ARM7TDM

5、I的约2倍，ARM9系列的核介绍，1)ARM9TDMI技术特征支持Thumb指令集。 在支持芯片(包括嵌入式ice模块)上采用调试5段管线，以提高CPI的最高时钟速率，并将指令与数据存储端口分离，从而提高处理器性能。 ARM9系列核心介绍，2)ARM9TDMI组织ARM9TDMI使用数据路径中的ALU来校正目标地址。、ARM9系列内核介绍、3)ARM9TDMI的流水线操作、ARM9系列内核介绍、4)Thumb解码(专用硬件解码单元)和内存读写(分别的指令和数据内存)5)协处理器为6 )片上调试(优化各段管线，采用6段管线)降低CPI。 (使用64位内存)，4，ARM11系列内核，半体系结构指令

6、集版本ARMv6内部8级管线全频率500-700Mhz流媒体支持应用：3G移动电话、广域网接入设备、 Cortex系列，哈佛架构指令集版本armv6thumb-2指令集设定修订应用：手机和汽车产品的设定修订， 高性能数字图像ARM Cortex-A系列：复杂的操作系统和客户端应用程序处理器ARM Cortex-R系列：实时系统嵌入式处理器ARM Cortex-M系列：注重价格微处理器应用程序cortex、6、SecurCore系列内核、SecurCore系列微处理器经过修订，以满足安全需求，提供完善的32位RISC技术安全解决方案。 灵活的保护单元可确保操作系统和应用程序数据的安全性。 采用软

7、内核技术，防止外部扫描检测。 集成用户自己的安全功能和其他协处理器。 7、StrongARM、XScale系列内核适用于PDA的高性能、低功耗、基于ARM架构的微处理器。 StrongARM的主要特征是，除了具有寄存器前向的5段流水线64位乘法运算、多寄存器传送、存储器/寄存器交换指令以外的所有通常指令都是单周期指令，8个数据项的写缓冲区、每个数据项16字节低功耗的伪静态StrongARM的高速乘法器。 微处理器使用系统控制协处理器CP15管理芯片上MMU和Cache资源，并且集成JTAG边界扫描测试电路以支持印刷电路板连接测试。 StrongARM的5段输油管指(来自指令Cache )。 指

8、令译码及寄存器读出转移目的地的修正运算及执行。 移位和ALU操作，包括数据传输的存储器地址校正。 数据缓存的访问结果写入寄存器文件，XScale系列内核、Intel XScale系列处理器内核基于ARMv5TE体系结构，从手持互联网设备到互联网基础设施基于XScale技术开发的系列微处理器结合超低功率和高性能，将英特尔XScale应用于广泛的互联网接入设备，ARM处理器的主要特性：采用缩小指令集(RISC )的16位/采用32位的2指令集采用多段流水线和高速缓存技术寄存器大多数数据操作采用寄存器加载/存储模式支持多种运行模式(7种) 支持协处理器的接口嵌入式在线模拟采用ICE-RT逻辑JTag

9、模拟ARM微处理器的2.1.3 ARM系列微处理器的特点指令规则、简单、数量少的管道数据处理操作只对寄存器进行(加载/存储型)，紧凑指令集的主要特征：2.2.2 ARM微处理器的紧凑指令集， 2.2.3 ARM微处理器提高多级管线CPU的工作频率和利用效率ARM7系列微处理器3级管线ARM9系列5级管线ARM10系列6级管线ARM11系列8级管线，1 ) ARM的3段流水线介绍ARM7之前的ARM处理器使用的简单3段流水线是2 )在arm 3级流水线上的PC的行为3级流水线的运行中，通过R15寄存器直接访问PC时，当时流水线的运行过程的实际情况，3级流水线5级管线ARM的组织、ARM的5级管线

10、ARM9和StrongARM架构都必须采用5级管线。 数据重写的专用路径和寄存器追加了的指令的执行过程5分割：指令解码执行数据缓存写回，ARM9TDMI，指令fetch，Shift ALU，Memory Access， 记忆体存取记忆体，写入，ARM9TDMI，arm or thumb inst解码，reg选取，reg读取，Shift，ALU，reg写入解码，执行，ARM7TDMI 2.3.1 ARM微处理器的动作状态、ARM920T处理器上2种动作状态： ARM动作状态32位的ARM命令集Thumb动作状态16位的Thumb命令集可通过BX命令(分支和交换命令)切换ARM状态和Thumb动作

11、状态2.3 ARM微处理器的动作状态和动作模式、ARM处理器程序的执行中，处理器可在两种状态下在ARM和Thumb之间切换，不影响处理器的模式和寄存器的内容。 ARM脚本和Thumb脚本具有相应的状态切换命令。 开始执行代码时，ARM处理器仅处于ARM状态。 另一方面，在ARm处理器动作状态、ARM处理器在两种动作状态之间切换方法且进入Thumb状态的操作数寄存器RM的状态位bit0为1时，执行BX Rm指令来进入Thumb状态。 在Thumb状态下处理器异常时，异常处理(IRQ、FIQ、Undef、Abort、SWI )关闭时自动切换到Thumb状态。 进入ARm状态的操作数寄存器RM的状态

12、位bit0为0时，执行BX Rm指令进入ARM状态。 处理器进行异常处理时，将PC放入异常模式链接寄存器LR，即使从异常向量地址执行，也能够进入ARM状态。例如：从ARM状态到Thumb状态： LDR R0、=Label 1； Label是程序标签BX R0从Thumb状态切换到ARM状态： LDR R0，=Label BX R0， 2.3.2处理器的运行模式，ARM处理器有7个执行模式： (1)用户模式(usr) -通常的程序执行模式(2)中断模式(irq) -通用中断处理(3)高速中断模式(fiq) -高速数据中使用的数据命令预取中止时用(6)系统模式(sys)-运行有权限的操作系统(7)

13、未定义命令中止模式(und)-支持硬件协处理器软件模拟，CPSR (的后5位定义当前的工作模式用户模式以外的其他6个模式为特权模式特权模式中的系统模式以外的5个模式为异常模式，即fiq (fastinterruptrequest ) IRQ (interrupt request ) SVC (suuster 也称为2.4.1 ARM状态下的寄存器组织、寄存器、未分组寄存器R0R7、各模式共通、分组寄存器R8R14、不同模式专用、程序计数器R15、各模式共通、当前的程序状态寄存器CPSR和备份程序SPSR如果从不同模式专用的一种模式切换到另一种模式，发射机的内容就不会受到保护，编程时请注意。 (

14、2)包寄存器R8R14可以与每次访问包寄存器的物理寄存器的当前操作模式相关。相同分组发射机，在不同工作模式下加上后缀的示例： R8_fiq表示高速中断模式下的R8发射机。 在包寄存器之中，R13一般用作堆栈指针(类似于AT89S51的SP )，而R14(LR )一般用作仲裁程序的链接寄存器，并且当执行仲裁程序指令BL时，将程序计数器R15的内容复制并存储在R14中， 从子程序返回到程序计数器R14，(3)程序计数器R15(PC )、R15一般用于保存接下来执行指令的地址(类似于AT89S51的PC )，在ARM状态下R15的最低2位为0，在Thumb状态下当前的程序状态寄存器cpp当前的程序状态寄存器CPSR存储当前的状态和控制的标志位，备份程序状态寄存器SPSR在切换动作模式时存储程序状态寄存器CPSR的当前值、程序状态寄存器的格式n、z、c， v条件代码标志： n负数标志z零标志c进位标志v溢出标志I and F比特是中断禁止比特M0、M1、M2、M3、M4是