基于ARM的處理器體系結(jié)構(gòu)

1、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)例開(kāi)發(fā)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)例開(kāi)發(fā)第三章第三章 基于基于ARMARM的處理器體系結(jié)構(gòu)的處理器體系結(jié)構(gòu)主要內(nèi)容 3.1 ARM體系結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)3.1.1 ARM微處理器結(jié)構(gòu)微處理器結(jié)構(gòu)3.1.2 ARM工作狀態(tài)工作狀態(tài)3.1.3 ARM微處理器的寄存器組織微處理器的寄存器組織3.1.4 ARM微處理器的指令結(jié)構(gòu)微處理器的指令結(jié)構(gòu) 3.2 ARM9處理器簡(jiǎn)介處理器簡(jiǎn)介3.2.1 與與ARM7處理器的比較處理器的比較3.2.2 OMAP5912處理器簡(jiǎn)介處理器簡(jiǎn)介 ARM簡(jiǎn)介 ARM即即Advanced RISC Machines的縮寫(xiě)。的縮寫(xiě)。 19851985年年4 4月月2626

2、日，第一個(gè)日，第一個(gè)ARM原型在英國(guó)劍原型在英國(guó)劍橋的橋的AcornAcorn計(jì)算機(jī)有限公司誕生，由美國(guó)加州計(jì)算機(jī)有限公司誕生，由美國(guó)加州San Jose VLSI技術(shù)公司制造。技術(shù)公司制造。 2020世紀(jì)世紀(jì)8080年代后期，年代后期，ARM很快開(kāi)發(fā)成很快開(kāi)發(fā)成Acorn的臺(tái)式機(jī)產(chǎn)品，形成英國(guó)的計(jì)算機(jī)教育基礎(chǔ)。的臺(tái)式機(jī)產(chǎn)品，形成英國(guó)的計(jì)算機(jī)教育基礎(chǔ)。 19901990年成立了年成立了Advanced RISC Machines Limited。ARM簡(jiǎn)介 2020世紀(jì)世紀(jì)9090年代，年代，ARM32位嵌人式位嵌人式RISC（Reduced Instruction Set Computer）

3、處理器處理器擴(kuò)展到世界范圍，占據(jù)了低功耗、低成本和高性擴(kuò)展到世界范圍，占據(jù)了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。能的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。 3232位位RISC處理器受到青睞，領(lǐng)先的是處理器受到青睞，領(lǐng)先的是ARMARM嵌入式嵌入式微處理器系列。微處理器系列。 ARM公司雖然只成立公司雖然只成立1010多年，但在多年，但在19991999年因移動(dòng)年因移動(dòng)電話(huà)火爆市場(chǎng)，其電話(huà)火爆市場(chǎng)，其3232位位RISC處理器占市場(chǎng)份額超處理器占市場(chǎng)份額超過(guò)了過(guò)了50%50%，20012001年初，年初，ARM公司的公司的3232位位RISC處理處理器市場(chǎng)占有率超過(guò)了器市場(chǎng)占有率超過(guò)

4、了75%75%。ARM簡(jiǎn)介 ARMARM公司是知識(shí)產(chǎn)權(quán)供應(yīng)商，是設(shè)計(jì)公司。公司是知識(shí)產(chǎn)權(quán)供應(yīng)商，是設(shè)計(jì)公司。由合作伙伴公司來(lái)生產(chǎn)各具特色的芯片。由合作伙伴公司來(lái)生產(chǎn)各具特色的芯片。 ARM公司商業(yè)模式的強(qiáng)大之處在于其價(jià)格公司商業(yè)模式的強(qiáng)大之處在于其價(jià)格合理，全世界范圍有超過(guò)合理，全世界范圍有超過(guò)100100個(gè)合作伙伴個(gè)合作伙伴-包括半導(dǎo)體工業(yè)的著名公司。包括半導(dǎo)體工業(yè)的著名公司。ARM公司專(zhuān)公司專(zhuān)注于設(shè)計(jì)，其內(nèi)核耗電少、成本低、功能注于設(shè)計(jì)，其內(nèi)核耗電少、成本低、功能強(qiáng)，特有強(qiáng)，特有16/3216/32位雙指令集。位雙指令集。ARMARM已成為移已成為移動(dòng)通信、手持計(jì)算、多媒體數(shù)字消費(fèi)等嵌動(dòng)通

5、信、手持計(jì)算、多媒體數(shù)字消費(fèi)等嵌入式解決方案的入式解決方案的RISC標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)。3.1 ARM體系結(jié)構(gòu) 3.1.1 ARM微處理器結(jié)構(gòu)微處理器結(jié)構(gòu) 1. RISC設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)思想傳統(tǒng)的復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)（傳統(tǒng)的復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)（Complex Instruction Set Computer，CISC）結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu)有其固有的缺點(diǎn)，即隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的有其固有的缺點(diǎn)，即隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而不斷引入新的復(fù)雜的指令集，為發(fā)展而不斷引入新的復(fù)雜的指令集，為支持這些新增的指令，計(jì)算機(jī)的體系結(jié)支持這些新增的指令，計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)會(huì)越來(lái)越復(fù)雜。構(gòu)會(huì)越來(lái)越復(fù)雜。3.1.1 ARM微處理器結(jié)構(gòu) 1. RISC設(shè)計(jì)思

6、想設(shè)計(jì)思想1979年美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校提出了年美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校提出了RISC的概的概念。念。RISC并非只是簡(jiǎn)單地去減少指令。并非只是簡(jiǎn)單地去減少指令。RISC是一種是一種設(shè)計(jì)思想，其目標(biāo)是設(shè)計(jì)出一套能在高時(shí)鐘頻設(shè)計(jì)思想，其目標(biāo)是設(shè)計(jì)出一套能在高時(shí)鐘頻率下單周期執(zhí)行、簡(jiǎn)單而有效的指令集。率下單周期執(zhí)行、簡(jiǎn)單而有效的指令集。RISC的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于降低由硬件執(zhí)行的指令的復(fù)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于降低由硬件執(zhí)行的指令的復(fù)雜度，因?yàn)檐浖扔布菀滋峁└蟮撵`活性雜度，因?yàn)檐浖扔布菀滋峁└蟮撵`活性和更高的智能。因此，和更高的智能。因此，RICS設(shè)計(jì)對(duì)編譯器有更設(shè)計(jì)對(duì)編譯器有更高的要求。高的要求。3

7、.1.1 ARM微處理器結(jié)構(gòu)CISC與與RISC的不同的不同 RISC和CISC之間的主要區(qū)別 指指 標(biāo)標(biāo)RISCCISC指令集指令集一個(gè)周期執(zhí)行一條指令，通過(guò)簡(jiǎn)一個(gè)周期執(zhí)行一條指令，通過(guò)簡(jiǎn)單指令的組合實(shí)現(xiàn)復(fù)雜操作；單指令的組合實(shí)現(xiàn)復(fù)雜操作；指令長(zhǎng)度固定指令長(zhǎng)度固定指令長(zhǎng)度不固定，執(zhí)行需要指令長(zhǎng)度不固定，執(zhí)行需要多個(gè)周期多個(gè)周期流水線(xiàn)流水線(xiàn)流水線(xiàn)每周期前進(jìn)一步流水線(xiàn)每周期前進(jìn)一步指令的執(zhí)行需要調(diào)用微代碼指令的執(zhí)行需要調(diào)用微代碼的一個(gè)微程序的一個(gè)微程序寄存器寄存器更多通用寄存器更多通用寄存器用于特定目的的專(zhuān)用寄存器用于特定目的的專(zhuān)用寄存器Load/Store結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)獨(dú)立的獨(dú)立的Load和和Sto

8、re指令完成數(shù)指令完成數(shù)據(jù)在寄存器和外部存儲(chǔ)器之據(jù)在寄存器和外部存儲(chǔ)器之間的傳輸間的傳輸處理器能夠直接處理存儲(chǔ)器處理器能夠直接處理存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)RISC的4個(gè)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 （1）指令集）指令集 RISC處理器減少了指令種類(lèi)。處理器減少了指令種類(lèi)。RISC的指令種類(lèi)的指令種類(lèi)只提供簡(jiǎn)單的操作，使一個(gè)周期就可以執(zhí)行一只提供簡(jiǎn)單的操作，使一個(gè)周期就可以執(zhí)行一條指令。編譯器或者程序員通過(guò)幾條簡(jiǎn)單指令條指令。編譯器或者程序員通過(guò)幾條簡(jiǎn)單指令的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜的操作（如除法操作）。的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜的操作（如除法操作）。RISC采用定長(zhǎng)指令集，每條指令的長(zhǎng)度都是固采用定長(zhǎng)指令集，每條指令的長(zhǎng)度都是

9、固定的，允許流水線(xiàn)在當(dāng)前指令譯碼階段去取其定的，允許流水線(xiàn)在當(dāng)前指令譯碼階段去取其下一條指令；而在下一條指令；而在CISC處理器中，指令長(zhǎng)度通處理器中，指令長(zhǎng)度通常不固定，執(zhí)行也需要多個(gè)周期。常不固定，執(zhí)行也需要多個(gè)周期。 RISC的4個(gè)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 （2）流水線(xiàn)）流水線(xiàn)指令的處理過(guò)程被拆分成幾個(gè)更小的、能夠被流指令的處理過(guò)程被拆分成幾個(gè)更小的、能夠被流水線(xiàn)并行執(zhí)行的單元。在理想情況下，流水線(xiàn)水線(xiàn)并行執(zhí)行的單元。在理想情況下，流水線(xiàn)每周期前進(jìn)一步，可獲得最高的吞吐率；而每周期前進(jìn)一步，可獲得最高的吞吐率；而CISC指令的執(zhí)行需要調(diào)用微代碼的一個(gè)微程序。指令的執(zhí)行需要調(diào)用微代碼的一個(gè)微程序。RISC

10、的4個(gè)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 （3）寄存器）寄存器RISC處理器擁有更多的通用寄存器。每個(gè)寄存處理器擁有更多的通用寄存器。每個(gè)寄存器都可存放數(shù)據(jù)或地址。寄存器可為所有的數(shù)器都可存放數(shù)據(jù)或地址。寄存器可為所有的數(shù)據(jù)操作提供快速的局部存儲(chǔ)訪(fǎng)問(wèn)；而據(jù)操作提供快速的局部存儲(chǔ)訪(fǎng)問(wèn)；而CISC處理處理器都是用于特定目的的專(zhuān)用寄存器。器都是用于特定目的的專(zhuān)用寄存器。 RISC的4個(gè)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 （4）Load/Store結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)處理器只處理寄存器中的數(shù)據(jù)。獨(dú)立的處理器只處理寄存器中的數(shù)據(jù)。獨(dú)立的load和和store指令用來(lái)完成數(shù)據(jù)在寄存器和外部存儲(chǔ)器指令用來(lái)完成數(shù)據(jù)在寄存器和外部存儲(chǔ)器之間的傳送。因?yàn)樵L(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)器很耗時(shí)，所以

11、把之間的傳送。因?yàn)樵L(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)器很耗時(shí)，所以把存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)和數(shù)據(jù)處理分開(kāi)。這樣有一個(gè)好處，存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)和數(shù)據(jù)處理分開(kāi)。這樣有一個(gè)好處，就是可反復(fù)地使用保存在寄存器中的數(shù)據(jù)，而就是可反復(fù)地使用保存在寄存器中的數(shù)據(jù)，而避免多次訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)器，從而達(dá)到提高程序執(zhí)行避免多次訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)器，從而達(dá)到提高程序執(zhí)行性能的目的。性能的目的。 3.1.1 ARM微處理器結(jié)構(gòu) 2. ARM設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)思想 為了使為了使ARM指令集能夠更好地滿(mǎn)足嵌入式指令集能夠更好地滿(mǎn)足嵌入式應(yīng)用的需要，應(yīng)用的需要，ARM指令集和單純的指令集和單純的RISC定義有以下幾個(gè)方面的不同：定義有以下幾個(gè)方面的不同： 一些特定的指令周期數(shù)可變一些特定的指

12、令周期數(shù)可變 內(nèi)嵌桶形移位器產(chǎn)生了更為復(fù)雜的指令內(nèi)嵌桶形移位器產(chǎn)生了更為復(fù)雜的指令 Thumb 16位指令集位指令集 條件執(zhí)行條件執(zhí)行 3.1.1 ARM微處理器結(jié)構(gòu) 3. ARM微處理器系列分類(lèi)及微處理器系列分類(lèi)及ARM體系的變種體系的變種當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的ARM微處理器核有微處理器核有ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E產(chǎn)品系列，每個(gè)產(chǎn)品系列，每個(gè)系列都提供了一套特定的性能來(lái)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)者系列都提供了一套特定的性能來(lái)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)者對(duì)功耗、性能和體積的需求。對(duì)功耗、性能和體積的需求。在在ARM體系中增加的某些特定功能稱(chēng)為體系中增加的某些特定功能稱(chēng)為ARM體系的某種變種（體系

13、的某種變種（variant）。）。 ARM體系的變種 （1）Thumb指令集（指令集（T變種）變種）Thumb指令集是將指令集是將ARM指令集的一個(gè)子集重新編碼而形指令集的一個(gè)子集重新編碼而形成的一個(gè)指令集。成的一個(gè)指令集。ARM指令長(zhǎng)度為指令長(zhǎng)度為32位，位，Thumb指令指令長(zhǎng)度為長(zhǎng)度為16位。位。與與ARM指令集相比，指令集相比，Thumb指令集具有一定的局限性，指令集具有一定的局限性，即完成相同的操作，即完成相同的操作，Thumb指令通常需要更多的指令。指令通常需要更多的指令。因此，在對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間要求苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合，因此，在對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間要求苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合，ARM指令集更為適合。指令

14、集更為適合。Thumb指令集沒(méi)有包含進(jìn)行異常處理時(shí)需要的一些指令，指令集沒(méi)有包含進(jìn)行異常處理時(shí)需要的一些指令，所以在異常中斷的低級(jí)處理時(shí)，還是需要使用所以在異常中斷的低級(jí)處理時(shí)，還是需要使用ARM指指令。這種限制決定了令。這種限制決定了Thumb指令需要和指令需要和ARM指令配合指令配合使用。使用。ARM體系的變種 （2）長(zhǎng)乘法指令（）長(zhǎng)乘法指令（M變種）變種）M變種增加了兩條用于進(jìn)行長(zhǎng)乘法操作的變種增加了兩條用于進(jìn)行長(zhǎng)乘法操作的ARM指令：其指令：其中一條指令用于實(shí)現(xiàn)中一條指令用于實(shí)現(xiàn)32位整數(shù)乘以位整數(shù)乘以32位整數(shù)，生成位整數(shù)，生成64位整數(shù)的長(zhǎng)乘法操作，另一條指令用于實(shí)現(xiàn)位整數(shù)的長(zhǎng)乘法

15、操作，另一條指令用于實(shí)現(xiàn)32位整數(shù)位整數(shù)乘以乘以32位整數(shù)，然后再加上位整數(shù)，然后再加上32位整數(shù)，生成位整數(shù)，生成64位整數(shù)位整數(shù)的長(zhǎng)乘加操作。的長(zhǎng)乘加操作。在需要這種長(zhǎng)乘法的應(yīng)用場(chǎng)合，使用在需要這種長(zhǎng)乘法的應(yīng)用場(chǎng)合，使用M變種比較合適。變種比較合適。然而，在有些應(yīng)用場(chǎng)合中，乘法操作的性能并不重要，然而，在有些應(yīng)用場(chǎng)合中，乘法操作的性能并不重要，在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)就不適合增加在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)就不適合增加M變種的功能。變種的功能。 ARM體系的變種 （3）增強(qiáng)型）增強(qiáng)型DSP指令（指令（E變種）變種）E變種包含了一些附加的指令，這些指令用于增強(qiáng)處理器變種包含了一些附加的指令，這些指令用于增強(qiáng)處理器對(duì)一些

16、典型對(duì)一些典型DSP算法的處理性能，主要包括：幾條新算法的處理性能，主要包括：幾條新的實(shí)現(xiàn)的實(shí)現(xiàn)16位數(shù)據(jù)乘法和乘加操作的指令，實(shí)現(xiàn)飽和的位數(shù)據(jù)乘法和乘加操作的指令，實(shí)現(xiàn)飽和的帶符號(hào)數(shù)的加減法操作的指令。帶符號(hào)數(shù)的加減法操作的指令。所謂飽和的帶符號(hào)數(shù)的加減法操作是在加減法操作溢出所謂飽和的帶符號(hào)數(shù)的加減法操作是在加減法操作溢出時(shí)，結(jié)果并不進(jìn)行卷繞（時(shí)，結(jié)果并不進(jìn)行卷繞（wrapping around），而是使），而是使用最大的正數(shù)或最小的負(fù)數(shù)來(lái)表示。進(jìn)行雙字?jǐn)?shù)據(jù)操用最大的正數(shù)或最小的負(fù)數(shù)來(lái)表示。進(jìn)行雙字?jǐn)?shù)據(jù)操作的指令，包括雙字讀取指令作的指令，包括雙字讀取指令LDRD、雙字寫(xiě)入指令、雙字寫(xiě)入指

17、令STRD和協(xié)處理器的寄存器傳輸指令和協(xié)處理器的寄存器傳輸指令MCRR/MRRC、Cache預(yù)取指令預(yù)取指令PLD。 ARM體系的變種 （4）Java加速器加速器Jazelle（J變種）變種）ARM的的Jazelle技術(shù)將技術(shù)將Java的優(yōu)勢(shì)和先進(jìn)的的優(yōu)勢(shì)和先進(jìn)的32位位RISC芯片芯片完美地結(jié)合在一起。完美地結(jié)合在一起。Jazelle技術(shù)提供了技術(shù)提供了Java加速功能，加速功能，可以得到比普通可以得到比普通Java虛擬機(jī)高得多的性能。與普通的虛擬機(jī)高得多的性能。與普通的Java虛擬機(jī)相比，虛擬機(jī)相比，Jazelle使使Java代碼運(yùn)行速度提高了代碼運(yùn)行速度提高了3倍，而功耗降低了倍，而功耗

18、降低了80%。Jazelle技術(shù)使得程序員可以在一個(gè)單獨(dú)的處理器上同時(shí)技術(shù)使得程序員可以在一個(gè)單獨(dú)的處理器上同時(shí)運(yùn)行運(yùn)行Java應(yīng)用程序、已經(jīng)建立好的操作系統(tǒng)、中間件應(yīng)用程序、已經(jīng)建立好的操作系統(tǒng)、中間件以及其他應(yīng)用程序。與使用協(xié)處理器和雙處理器相比，以及其他應(yīng)用程序。與使用協(xié)處理器和雙處理器相比，使用單獨(dú)的處理器可以在提供高性能的同時(shí)，保證低使用單獨(dú)的處理器可以在提供高性能的同時(shí)，保證低功耗和低成本。功耗和低成本。 ARM體系的變種 （5）ARM媒體功能擴(kuò)展（媒體功能擴(kuò)展（SIMD變種）變種）ARM媒體功能擴(kuò)展為嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)提供了高性能的音媒體功能擴(kuò)展為嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)提供了高性能的音頻頻/

19、視頻處理技術(shù)。這就要求處理器能夠提供很強(qiáng)的數(shù)視頻處理技術(shù)。這就要求處理器能夠提供很強(qiáng)的數(shù)字信號(hào)處理能力，同時(shí)還必須保持低功耗，以延長(zhǎng)電字信號(hào)處理能力，同時(shí)還必須保持低功耗，以延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間。池的使用時(shí)間。ARM的的SIMD媒體功能擴(kuò)展為這些應(yīng)媒體功能擴(kuò)展為這些應(yīng)用需求提供了解決方案。用需求提供了解決方案。 SIMD變種的主要特點(diǎn)是：可以同時(shí)進(jìn)行兩個(gè)變種的主要特點(diǎn)是：可以同時(shí)進(jìn)行兩個(gè)16位操作數(shù)位操作數(shù)或者或者4個(gè)個(gè)8位操作數(shù)的運(yùn)算，提供了小數(shù)算術(shù)運(yùn)算，用位操作數(shù)的運(yùn)算，提供了小數(shù)算術(shù)運(yùn)算，用戶(hù)可以定義飽和運(yùn)算的模式，兩套戶(hù)可以定義飽和運(yùn)算的模式，兩套16位操作數(shù)的乘加位操作數(shù)的乘加/乘減運(yùn)

20、算，乘減運(yùn)算，32位乘以位乘以32位的小數(shù)位的小數(shù)MAC，同時(shí)，同時(shí)8位位/16位位選擇操作。選擇操作。 3.1.1 ARM微處理器結(jié)構(gòu) 4. ARM體系結(jié)構(gòu)的體系結(jié)構(gòu)的命名規(guī)則命名規(guī)則ARM產(chǎn)品通常以產(chǎn)品通常以ARMxyzTDMIEJF-S形式出現(xiàn)。形式出現(xiàn)。 后綴后綴變量變量含含 義義x系統(tǒng)，如系統(tǒng)，如ARM7、ARM9y存儲(chǔ)管理存儲(chǔ)管理/保護(hù)單元保護(hù)單元zCacheTThumb16位譯碼器（位譯碼器（T變種）變種）DJTAG調(diào)試器調(diào)試器M長(zhǎng)乘法指令（長(zhǎng)乘法指令（M變種）變種）I嵌入式跟蹤宏單元嵌入式跟蹤宏單元E增強(qiáng)型增強(qiáng)型DSP指令（指令（E變種）變種）JJava加速器加速器Jazell

21、e（J變種）變種）F向量浮點(diǎn)單元向量浮點(diǎn)單元S可綜合版本可綜合版本ARM體系結(jié)構(gòu)命名規(guī)則附加要點(diǎn) ARM7TDMI之后的所有之后的所有ARM內(nèi)核，即使內(nèi)核，即使“ARM”標(biāo)志后沒(méi)有包含標(biāo)志后沒(méi)有包含“TDMI”字符，也都默認(rèn)包含了字符，也都默認(rèn)包含了TDMI的功能特性；的功能特性； JTAG是由是由IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試訪(fǎng)問(wèn)端口和邊界標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試訪(fǎng)問(wèn)端口和邊界掃描結(jié)構(gòu)來(lái)描述的，是掃描結(jié)構(gòu)來(lái)描述的，是ARM用來(lái)發(fā)送和接收處理用來(lái)發(fā)送和接收處理器內(nèi)核與測(cè)試儀器之間調(diào)試信息的一系列協(xié)議；器內(nèi)核與測(cè)試儀器之間調(diào)試信息的一系列協(xié)議； 嵌入式嵌入式ICE宏單元是建立在處理器內(nèi)部用來(lái)設(shè)置宏單元是建立在處

22、理器內(nèi)部用來(lái)設(shè)置斷點(diǎn)和觀(guān)察點(diǎn)的調(diào)試硬件；斷點(diǎn)和觀(guān)察點(diǎn)的調(diào)試硬件； 可綜合，意味著處理器內(nèi)核是以源代碼形式提供可綜合，意味著處理器內(nèi)核是以源代碼形式提供的。這種源代碼形式可被編譯成一種易于的。這種源代碼形式可被編譯成一種易于EDA工工具使用的形式。具使用的形式。3.1.1 ARM微處理器結(jié)構(gòu) 5. ARM微處理器系列微處理器系列ARM微處理器目前包括下面幾個(gè)系列，以微處理器目前包括下面幾個(gè)系列，以及其它廠(chǎng)商基于及其它廠(chǎng)商基于ARM體系結(jié)構(gòu)的處理器，體系結(jié)構(gòu)的處理器，除了具有除了具有ARM體系結(jié)構(gòu)的共同特點(diǎn)以外，體系結(jié)構(gòu)的共同特點(diǎn)以外，每一個(gè)系列的每一個(gè)系列的ARM微處理器都有各自的微處理器都有各

23、自的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。 ARM7系列系列 ARM9系列系列 ARM9E系列系列 ARM10E系列系列 ARM11系列系列 SecurCore系列系列 Inter的的Xscale Inter的的StrongARM ARM微處理器系列 （1）ARM7微處理器系列微處理器系列ARM7內(nèi)核采用馮內(nèi)核采用馮諾伊曼體系結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)和指令諾伊曼體系結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)和指令使用同一條總線(xiàn)。內(nèi)核有一條使用同一條總線(xiàn)。內(nèi)核有一條3級(jí)流水線(xiàn)，執(zhí)級(jí)流水線(xiàn)，執(zhí)行行ARMv4指令集。指令集。ARM7系列微處理器主要用于對(duì)功耗和成本要求系列微處理器主要用于對(duì)功耗和成本要求比較苛刻的消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品。其最高主頻可達(dá)比較苛刻的消

24、費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品。其最高主頻可達(dá)130MIPS。ARM7系列微處理器的主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)椋汗I(yè)控系列微處理器的主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)椋汗I(yè)控制、制、Internet設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和調(diào)制解調(diào)器設(shè)備、設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和調(diào)制解調(diào)器設(shè)備、移動(dòng)電話(huà)等多種多媒體和嵌入式應(yīng)用。移動(dòng)電話(huà)等多種多媒體和嵌入式應(yīng)用。 ARM微處理器系列 ARM7微處理器系列具有如下特點(diǎn)：微處理器系列具有如下特點(diǎn)：具有嵌入式具有嵌入式ICERT邏輯，調(diào)試開(kāi)發(fā)方便；邏輯，調(diào)試開(kāi)發(fā)方便；極低的功耗，適合對(duì)功耗要求較高的應(yīng)用；極低的功耗，適合對(duì)功耗要求較高的應(yīng)用；能夠提供能夠提供0.9MIPS/MHz的三級(jí)流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)；的三級(jí)流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)；代碼密度高并兼容代碼密度高并兼

25、容16位的位的Thumb指令集；指令集；對(duì)操作系統(tǒng)的支持廣泛，包括對(duì)操作系統(tǒng)的支持廣泛，包括Windows CE、Linux、Palm OS等；等；指令系統(tǒng)與指令系統(tǒng)與ARM9系列、系列、ARM9E系列和系列和ARM10E系列兼容，便于用戶(hù)的產(chǎn)品升級(jí)換代；系列兼容，便于用戶(hù)的產(chǎn)品升級(jí)換代；主頻最高可達(dá)主頻最高可達(dá)130MIPS，高速的運(yùn)算處理能力，高速的運(yùn)算處理能力能勝任絕大多數(shù)的復(fù)雜應(yīng)用。能勝任絕大多數(shù)的復(fù)雜應(yīng)用。ARM微處理器系列 （2）ARM9微處理器系列微處理器系列ARM9系列采用系列采用5級(jí)指令流水線(xiàn)，能夠運(yùn)行在比級(jí)指令流水線(xiàn)，能夠運(yùn)行在比ARM7更高的時(shí)鐘頻率上，改善了處理器的整更

26、高的時(shí)鐘頻率上，改善了處理器的整體性能。體性能。ARM9的存儲(chǔ)器系統(tǒng)根據(jù)哈佛體系結(jié)的存儲(chǔ)器系統(tǒng)根據(jù)哈佛體系結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)，區(qū)分了數(shù)據(jù)總線(xiàn)和指令總線(xiàn)。構(gòu)重新設(shè)計(jì)，區(qū)分了數(shù)據(jù)總線(xiàn)和指令總線(xiàn)。ARM9系列的第一個(gè)處理器是系列的第一個(gè)處理器是ARM920T，包含，包含獨(dú)立的數(shù)據(jù)指令獨(dú)立的數(shù)據(jù)指令Cache和和MMU。該處理器能夠。該處理器能夠被用在要求有虛擬存儲(chǔ)器支持的操作系統(tǒng)上。被用在要求有虛擬存儲(chǔ)器支持的操作系統(tǒng)上。ARM9系列微處理器主要應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)設(shè)備、儀器系列微處理器主要應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)設(shè)備、儀器儀表、安全系統(tǒng)、機(jī)頂盒、高端打印機(jī)、數(shù)字儀表、安全系統(tǒng)、機(jī)頂盒、高端打印機(jī)、數(shù)字照相機(jī)和數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等。照相

27、機(jī)和數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等。 ARM微處理器系列 （3）ARM9E微處理器系列微處理器系列ARM9E系列微處理器是系列微處理器是ARM9內(nèi)核帶有內(nèi)核帶有E變種的變種的一個(gè)可綜合版本，使用單一的處理器內(nèi)核提供一個(gè)可綜合版本，使用單一的處理器內(nèi)核提供了微控制器、了微控制器、DSP、Java應(yīng)用系統(tǒng)的解決方案，應(yīng)用系統(tǒng)的解決方案，極大地減少了芯片的面積和系統(tǒng)的復(fù)雜程度。極大地減少了芯片的面積和系統(tǒng)的復(fù)雜程度。ARM9E系列微處理器提供了增強(qiáng)的系列微處理器提供了增強(qiáng)的DSP處理能處理能力，很適合于那些需要同時(shí)使用力，很適合于那些需要同時(shí)使用DSP和微控制和微控制器的應(yīng)用場(chǎng)合。器的應(yīng)用場(chǎng)合。ARM9E系列微處理器

28、包含系列微處理器包含ARM926EJ-S、ARM946E-S和和ARM966E-S三種類(lèi)型。三種類(lèi)型。 ARM微處理器系列 （4）ARM10E微處理器系列微處理器系列ARM10E系列微處理器具有高性能、低功耗的特系列微處理器具有高性能、低功耗的特點(diǎn)，由于采用了新的體系結(jié)構(gòu)，采用點(diǎn)，由于采用了新的體系結(jié)構(gòu)，采用6級(jí)整數(shù)級(jí)整數(shù)流水線(xiàn)，與同等的流水線(xiàn)，與同等的ARM9器件相比較，在同樣器件相比較，在同樣的時(shí)鐘頻率下，性能提高了近的時(shí)鐘頻率下，性能提高了近50。同時(shí)，。同時(shí)，ARM10E系列微處理器采用了兩種先進(jìn)的節(jié)能系列微處理器采用了兩種先進(jìn)的節(jié)能方式，使其功耗極低，且提供了方式，使其功耗極低，且提

29、供了64位的位的Load/Store體系，支持包括向量操作的、滿(mǎn)足體系，支持包括向量操作的、滿(mǎn)足IEEE 754的浮點(diǎn)運(yùn)算協(xié)處理器，系統(tǒng)集成更加的浮點(diǎn)運(yùn)算協(xié)處理器，系統(tǒng)集成更加方便。方便。ARM微處理器系列 （5）ARM11微處理器系列微處理器系列ARM1136J-S發(fā)布于發(fā)布于2003年，是針對(duì)高性能和高年，是針對(duì)高性能和高能效應(yīng)而設(shè)計(jì)的。能效應(yīng)而設(shè)計(jì)的。ARM1136J-S是第一個(gè)執(zhí)行是第一個(gè)執(zhí)行ARMv6架構(gòu)指令的處理器。它集成了一條具有架構(gòu)指令的處理器。它集成了一條具有獨(dú)立的獨(dú)立的Load/Store和算術(shù)流水線(xiàn)的和算術(shù)流水線(xiàn)的8級(jí)流水線(xiàn)。級(jí)流水線(xiàn)。ARMv6指令包含了針對(duì)媒體處理的單

30、指令流多指令包含了針對(duì)媒體處理的單指令流多數(shù)據(jù)流擴(kuò)展，采用特殊的設(shè)計(jì)改善視頻處理能數(shù)據(jù)流擴(kuò)展，采用特殊的設(shè)計(jì)改善視頻處理能力。力。 ARM微處理器系列 （6）SecurCore微處理器系列微處理器系列SecurCore系列微處理器專(zhuān)為安全需要而設(shè)計(jì)，提供了完系列微處理器專(zhuān)為安全需要而設(shè)計(jì)，提供了完善的善的32位位RISC技術(shù)的安全解決方案，技術(shù)的安全解決方案，SecurCore系列系列微處理器除了具有微處理器除了具有ARM體系結(jié)構(gòu)的低功耗、高性能的體系結(jié)構(gòu)的低功耗、高性能的特點(diǎn)外，還具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，即提供了對(duì)安全解決特點(diǎn)外，還具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，即提供了對(duì)安全解決方案的支持。方案的支持。Sec

31、urCore系列微處理器除了具有系列微處理器除了具有ARM體系結(jié)構(gòu)各種主體系結(jié)構(gòu)各種主要特點(diǎn)外，還在系統(tǒng)安全方面具有如下的特點(diǎn)：要特點(diǎn)外，還在系統(tǒng)安全方面具有如下的特點(diǎn)： 帶有靈活的保護(hù)單元，以確保操作系統(tǒng)和應(yīng)用數(shù)據(jù)帶有靈活的保護(hù)單元，以確保操作系統(tǒng)和應(yīng)用數(shù)據(jù)的安全。的安全。 采用軟內(nèi)核技術(shù)，防止外部對(duì)其進(jìn)行掃描探測(cè)。采用軟內(nèi)核技術(shù)，防止外部對(duì)其進(jìn)行掃描探測(cè)。 可集成用戶(hù)自己的安全特性和其他協(xié)處理器?？杉捎脩?hù)自己的安全特性和其他協(xié)處理器。 ARM微處理器系列 （7）StrongARM微處理器系列微處理器系列Intel StrongARM SA-1100處理器是采用處理器是采用ARM體體系結(jié)構(gòu)

32、高度集成的系結(jié)構(gòu)高度集成的32位位RISC微處理器。它融合微處理器。它融合了了Inter公司的設(shè)計(jì)和處理技術(shù)以及公司的設(shè)計(jì)和處理技術(shù)以及ARM體系體系結(jié)構(gòu)的電源效率，采用在軟件上兼容結(jié)構(gòu)的電源效率，采用在軟件上兼容ARMv4體體系結(jié)構(gòu)、同時(shí)采用具有系結(jié)構(gòu)、同時(shí)采用具有Intel技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的體系結(jié)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的體系結(jié)構(gòu)。構(gòu)。Intel StrongARM處理器是便攜式通訊產(chǎn)品和消處理器是便攜式通訊產(chǎn)品和消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品的理想選擇，已成功應(yīng)用于多家費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品的理想選擇，已成功應(yīng)用于多家公司的掌上電腦系列產(chǎn)品。公司的掌上電腦系列產(chǎn)品。 ARM微處理器系列 （8）Xscale處理器處理器Xscale處理器是

33、基于處理器是基于ARMv5TE體系結(jié)構(gòu)的解決體系結(jié)構(gòu)的解決方案，是一款全性能、高性?xún)r(jià)比、低功耗的處方案，是一款全性能、高性?xún)r(jià)比、低功耗的處理器。它支持理器。它支持16位的位的Thumb指令和指令和DSP指令集，指令集，已使用在數(shù)字移動(dòng)電話(huà)、個(gè)人數(shù)字助理和網(wǎng)絡(luò)已使用在數(shù)字移動(dòng)電話(huà)、個(gè)人數(shù)字助理和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品等場(chǎng)合。產(chǎn)品等場(chǎng)合。Xscale處理器是處理器是Intel目前主要推廣的一款目前主要推廣的一款A(yù)RM微微處理器。處理器。 3.1 ARM體系結(jié)構(gòu) 3.1.2 ARM工作狀態(tài)工作狀態(tài)從編程的角度看，從編程的角度看，ARM微處理器的工作狀微處理器的工作狀態(tài)一般有兩種，并可在兩種狀態(tài)之間切態(tài)一般有兩種，

34、并可在兩種狀態(tài)之間切換：換：第一種為第一種為ARM狀態(tài)，此時(shí)處理器執(zhí)行狀態(tài)，此時(shí)處理器執(zhí)行32位的、字對(duì)齊的位的、字對(duì)齊的ARM指令；指令；第二種為第二種為T(mén)humb狀態(tài)，此時(shí)處理器執(zhí)狀態(tài)，此時(shí)處理器執(zhí)行行16位的、半字對(duì)齊的位的、半字對(duì)齊的Thumb指令。指令。3.1 ARM體系結(jié)構(gòu) 3.1.3 ARM微處理器的寄存器組織微處理器的寄存器組織ARM處理器共有處理器共有37個(gè)寄存器，被分為若干個(gè)寄存器，被分為若干個(gè)組（個(gè)組（BANK），這些寄存器包括：），這些寄存器包括：31個(gè)通用寄存器，包括程序計(jì)數(shù)器個(gè)通用寄存器，包括程序計(jì)數(shù)器（PC指針），均為指針），均為32位的寄存器。位的寄存器。6個(gè)狀

35、態(tài)寄存器，用以標(biāo)識(shí)個(gè)狀態(tài)寄存器，用以標(biāo)識(shí)CPU的工作的工作狀態(tài)及程序的運(yùn)行狀態(tài)，均為狀態(tài)及程序的運(yùn)行狀態(tài)，均為32位，位，目前只使用了其中的一部分。目前只使用了其中的一部分。3.1 ARM體系結(jié)構(gòu) 3.1.4 ARM微處理器的指令結(jié)構(gòu)微處理器的指令結(jié)構(gòu)ARM微處理器在較新的體系結(jié)構(gòu)中支持兩微處理器在較新的體系結(jié)構(gòu)中支持兩種指令集：種指令集：ARM指令集和指令集和Thumb指令集。指令集。其中，其中，ARM指令為指令為32位的長(zhǎng)度，位的長(zhǎng)度，Thumb指令為指令為16位長(zhǎng)度。位長(zhǎng)度。Thumb指令集為指令集為ARM指令集的功能子集，指令集的功能子集，但與等價(jià)的但與等價(jià)的ARM代碼相比較，可節(jié)省代

36、碼相比較，可節(jié)省30%40%以上的存儲(chǔ)空間，同時(shí)具備以上的存儲(chǔ)空間，同時(shí)具備32位代碼的所有優(yōu)點(diǎn)。位代碼的所有優(yōu)點(diǎn)。 主要內(nèi)容 3.1 ARM體系結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)3.1.1 ARM微處理器結(jié)構(gòu)微處理器結(jié)構(gòu)3.1.2 ARM工作狀態(tài)工作狀態(tài)3.1.3 ARM微處理器的寄存器組織微處理器的寄存器組織3.1.4 ARM微處理器的指令結(jié)構(gòu)微處理器的指令結(jié)構(gòu) 3.2 ARM9處理器簡(jiǎn)介處理器簡(jiǎn)介3.2.1 與與ARM7處理器的比較處理器的比較3.2.2 OMAP5912處理器簡(jiǎn)介處理器簡(jiǎn)介3.2 ARM9處理器簡(jiǎn)介 ARM9系列處理器是系列處理器是ARM公司設(shè)計(jì)的主流嵌入式公司設(shè)計(jì)的主流嵌入式處理器，主要包

37、括處理器，主要包括ARM9TDMI和和ARM9E-S等系等系列。列。 以手機(jī)應(yīng)用為例，以手機(jī)應(yīng)用為例，2G手機(jī)只需提供語(yǔ)音及簡(jiǎn)單的手機(jī)只需提供語(yǔ)音及簡(jiǎn)單的文字短信功能，而文字短信功能，而2.5G和和3G手機(jī)除了提供這兩項(xiàng)手機(jī)除了提供這兩項(xiàng)功能外，還必須提供各種其他的應(yīng)用功能。主要功能外，還必須提供各種其他的應(yīng)用功能。主要包括：包括：（1）無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：手機(jī)上網(wǎng)、電子郵件及其他定位服）無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：手機(jī)上網(wǎng)、電子郵件及其他定位服務(wù)等功能；務(wù)等功能； （2）PDA功能：含有用戶(hù)操作系統(tǒng)（功能：含有用戶(hù)操作系統(tǒng)（Windows CE、Symbian OS、Linux等）及其他功能；等）及其他功能；

38、（3）高性能功能：音頻播放器、視頻電話(huà)、手機(jī)游戲等。）高性能功能：音頻播放器、視頻電話(huà)、手機(jī)游戲等。 3.2 ARM9處理器簡(jiǎn)介 3.2.1 與與ARM7處理器比較處理器比較ARM7提供了非常好的性能功耗比，它提供了非常好的性能功耗比，它包含了包含了Thumb指令集快速乘法指令和指令集快速乘法指令和ICE調(diào)試技術(shù)的內(nèi)核。調(diào)試技術(shù)的內(nèi)核。ARM9處理器通過(guò)全新的設(shè)計(jì)，采用了更處理器通過(guò)全新的設(shè)計(jì)，采用了更多的晶體管，能夠達(dá)到兩倍以上于多的晶體管，能夠達(dá)到兩倍以上于ARM7處理器的處理能力。處理器的處理能力。ARM7內(nèi)核是內(nèi)核是0.9MIPS/MHz的三級(jí)流水線(xiàn)的三級(jí)流水線(xiàn)和馮和馮諾伊曼結(jié)構(gòu)，而諾

39、伊曼結(jié)構(gòu)，而ARM9內(nèi)核是內(nèi)核是5級(jí)流級(jí)流水線(xiàn)，提供水線(xiàn)，提供1.1MIPS/MHz的哈佛結(jié)構(gòu)。的哈佛結(jié)構(gòu)。 3.2.1 與ARM7處理器比較 1. 體系結(jié)構(gòu)不同體系結(jié)構(gòu)不同ARM7內(nèi)核采用馮內(nèi)核采用馮諾伊曼體系結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)和指令諾伊曼體系結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)和指令使用同一條總線(xiàn)。使用同一條總線(xiàn)。ARM9內(nèi)核根據(jù)哈佛體系結(jié)內(nèi)核根據(jù)哈佛體系結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)，區(qū)分了數(shù)據(jù)總線(xiàn)和指令總線(xiàn)。構(gòu)重新設(shè)計(jì)，區(qū)分了數(shù)據(jù)總線(xiàn)和指令總線(xiàn)。 （1）馮）馮諾伊曼結(jié)構(gòu)諾伊曼結(jié)構(gòu) 3.2.1 與ARM7處理器比較 1. 體系結(jié)構(gòu)不同體系結(jié)構(gòu)不同（2）哈佛結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是使用兩個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)器模塊，哈佛結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是使用兩個(gè)獨(dú)立的

40、存儲(chǔ)器模塊，分別存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù)。分別存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù)。3.2.1 與ARM7處理器比較 在典型情況下，完成一條指令需要在典型情況下，完成一條指令需要3個(gè)步驟，即：個(gè)步驟，即：取指令、指令譯碼和執(zhí)行指令。取指令、指令譯碼和執(zhí)行指令。 馮馮諾伊曼結(jié)構(gòu)處理器指令流的定時(shí)關(guān)系示意圖諾伊曼結(jié)構(gòu)處理器指令流的定時(shí)關(guān)系示意圖 3.2.1 與ARM7處理器比較 如果采用哈佛結(jié)構(gòu)處理以上同樣的如果采用哈佛結(jié)構(gòu)處理以上同樣的3條存取數(shù)指條存取數(shù)指令，由于取指令和存取數(shù)據(jù)分別經(jīng)由不同的存儲(chǔ)令，由于取指令和存取數(shù)據(jù)分別經(jīng)由不同的存儲(chǔ)空間和不同的總線(xiàn)，使得各條指令可以重疊執(zhí)行，空間和不同的總線(xiàn)，使得各條指令可以重疊執(zhí)行，

41、這樣，也就克服了數(shù)據(jù)流傳輸?shù)钠款i，提高了運(yùn)這樣，也就克服了數(shù)據(jù)流傳輸?shù)钠款i，提高了運(yùn)算速度。算速度。 哈佛結(jié)構(gòu)處理器指令流的定時(shí)關(guān)系示意圖哈佛結(jié)構(gòu)處理器指令流的定時(shí)關(guān)系示意圖 3.2.1 與ARM7處理器比較 2. 時(shí)鐘頻率的提高時(shí)鐘頻率的提高 ARM7處理器采用處理器采用3級(jí)流水線(xiàn)，在執(zhí)行級(jí)完成了級(jí)流水線(xiàn)，在執(zhí)行級(jí)完成了多個(gè)操作，包括從寄存器讀取操作數(shù)，傳給移多個(gè)操作，包括從寄存器讀取操作數(shù)，傳給移位寄存器，傳給算術(shù)邏輯單元位寄存器，傳給算術(shù)邏輯單元ALU，把運(yùn)算結(jié)，把運(yùn)算結(jié)果寫(xiě)回寄存器。果寫(xiě)回寄存器。 ARM7TDMI和和ARM7TDMI-S流水線(xiàn)流水線(xiàn) 3.2.1 與ARM7處理器比較

42、2. 時(shí)鐘頻率的提高時(shí)鐘頻率的提高 ARM9采用采用5級(jí)流水線(xiàn)，級(jí)流水線(xiàn)，ARM9TDMI和和ARM9E-S兩種設(shè)計(jì)基本一樣，除了兩種設(shè)計(jì)基本一樣，除了ARM9E-S內(nèi)核實(shí)現(xiàn)了內(nèi)核實(shí)現(xiàn)了一個(gè)更復(fù)雜的乘加單元，以支持一個(gè)更復(fù)雜的乘加單元，以支持ARMv5TE架構(gòu)架構(gòu)新引入的新引入的DSP增強(qiáng)指令集。采用哈佛架構(gòu)避免了增強(qiáng)指令集。采用哈佛架構(gòu)避免了數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)和取指令對(duì)單總線(xiàn)的使用沖突。數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)和取指令對(duì)單總線(xiàn)的使用沖突。 ARM9TDMI流水線(xiàn)流水線(xiàn) 3.2.1 與ARM7處理器比較 3. 指令周期的改進(jìn)指令周期的改進(jìn)（1）存儲(chǔ)器讀寫(xiě)指令）存儲(chǔ)器讀寫(xiě)指令Load/Store導(dǎo)致導(dǎo)致Load/Stor

43、e指令時(shí)鐘數(shù)目減少的兩個(gè)微處理指令時(shí)鐘數(shù)目減少的兩個(gè)微處理器架構(gòu)設(shè)計(jì)上的根本差別：器架構(gòu)設(shè)計(jì)上的根本差別： ARM9內(nèi)核采用哈佛架構(gòu)，有獨(dú)立的指令和數(shù)據(jù)存內(nèi)核采用哈佛架構(gòu)，有獨(dú)立的指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口，允許儲(chǔ)器接口，允許CPU在取指令的同時(shí)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。而在取指令的同時(shí)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。而ARM7內(nèi)核則只有一個(gè)存儲(chǔ)器接口，取指令或數(shù)據(jù)內(nèi)核則只有一個(gè)存儲(chǔ)器接口，取指令或數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)都得經(jīng)由此接口。訪(fǎng)問(wèn)都得經(jīng)由此接口。 ARM9內(nèi)核的內(nèi)核的5級(jí)流水線(xiàn)設(shè)計(jì)引入了獨(dú)立的級(jí)流水線(xiàn)設(shè)計(jì)引入了獨(dú)立的“存儲(chǔ)存儲(chǔ)器（器（Memory）”和和“寫(xiě)回（寫(xiě)回（Write Back）”兩級(jí)流兩級(jí)流水線(xiàn)，分別用于存儲(chǔ)器讀寫(xiě)和把結(jié)果寫(xiě)回寄

44、存器組。水線(xiàn)，分別用于存儲(chǔ)器讀寫(xiě)和把結(jié)果寫(xiě)回寄存器組。3.2.1 與ARM7處理器比較 3. 指令周期的改進(jìn)指令周期的改進(jìn)（2）互鎖技術(shù)（）互鎖技術(shù)（interlocks）當(dāng)某一條指令需要的源數(shù)據(jù)由于前面的指令仍未當(dāng)某一條指令需要的源數(shù)據(jù)由于前面的指令仍未執(zhí)行完而不可用時(shí)，流水線(xiàn)就會(huì)發(fā)生互鎖。執(zhí)行完而不可用時(shí)，流水線(xiàn)就會(huì)發(fā)生互鎖?；ユi發(fā)生時(shí)，在硬件上將暫停該指令的執(zhí)行，直互鎖發(fā)生時(shí)，在硬件上將暫停該指令的執(zhí)行，直到需要的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好為止。有了互鎖機(jī)制，到需要的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好為止。有了互鎖機(jī)制，ARM9得以與以前得以與以前ARM處理器保持二進(jìn)制代碼處理器保持二進(jìn)制代碼級(jí)別的兼容。級(jí)別的兼容。在許多情況

45、下，編譯器或者代碼編寫(xiě)者可以通過(guò)在許多情況下，編譯器或者代碼編寫(xiě)者可以通過(guò)改變指令的順序或者別的一些技巧來(lái)減少互鎖改變指令的順序或者別的一些技巧來(lái)減少互鎖周期數(shù)。周期數(shù)。 3.2.1 與ARM7處理器比較 3. 指令周期的改進(jìn)指令周期的改進(jìn)（3）分支指令）分支指令A(yù)RM9和和ARM7的分支指令周期是相同的。的分支指令周期是相同的。ARM9TDMI和和ARM9E-S不支持分支預(yù)測(cè)。在這不支持分支預(yù)測(cè)。在這些處理器上，跳轉(zhuǎn)的開(kāi)銷(xiāo)相對(duì)不那么重要。實(shí)現(xiàn)些處理器上，跳轉(zhuǎn)的開(kāi)銷(xiāo)相對(duì)不那么重要。實(shí)現(xiàn)分支預(yù)測(cè)增加了邏輯開(kāi)銷(xiāo)，導(dǎo)致芯片尺寸增大，分支預(yù)測(cè)增加了邏輯開(kāi)銷(xiāo)，導(dǎo)致芯片尺寸增大，卻不會(huì)帶來(lái)顯著的性能提升。

46、卻不會(huì)帶來(lái)顯著的性能提升。 分支指令分支指令A(yù)RM7TDMI和和ARM7TDMI-SARM9TDMI和和ARM9E-SBranch Taken（passes its condition code check）33Branch Taken（fails its condition code check）113.2 ARM9處理器簡(jiǎn)介 3.2.2 OMAP5912處理器介紹處理器介紹1. 開(kāi)放式多媒體應(yīng)用平臺(tái)開(kāi)放式多媒體應(yīng)用平臺(tái)OMAP TI于于1999年年5月推出月推出OMAP架構(gòu)，架構(gòu)，OMAP處理器處理器家族目前主要有三大系列。家族目前主要有三大系列。OMAP平臺(tái)具有可平臺(tái)具有可擴(kuò)展、靈活而開(kāi)

47、放的構(gòu)架，長(zhǎng)期以來(lái)一直以最擴(kuò)展、靈活而開(kāi)放的構(gòu)架，長(zhǎng)期以來(lái)一直以最佳性能和極低功耗而著稱(chēng)。使用該平臺(tái)設(shè)計(jì)的佳性能和極低功耗而著稱(chēng)。使用該平臺(tái)設(shè)計(jì)的2.5G和和3G手機(jī)可以實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用，如語(yǔ)言處理、手機(jī)可以實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用，如語(yǔ)言處理、視頻流、電視會(huì)議、高保真音頻、定位服務(wù)、視頻流、電視會(huì)議、高保真音頻、定位服務(wù)、安全性、游戲、移動(dòng)商務(wù)、個(gè)人管理等多媒體安全性、游戲、移動(dòng)商務(wù)、個(gè)人管理等多媒體應(yīng)用。應(yīng)用。 OMAP處理器家族3.2 ARM9處理器簡(jiǎn)介 3.2.2 OMAP5912處理器介紹處理器介紹2. OMAP5912處理器處理器OMAP5912處理器是處理器是OMAP1510系列的一個(gè)分支，系列

48、的一個(gè)分支，是由是由TI應(yīng)用最為廣泛的應(yīng)用最為廣泛的TMS320C55X DSP內(nèi)核內(nèi)核與低功耗、高性能的與低功耗、高性能的ARM926EJ-S微處理器組微處理器組成的雙核應(yīng)用處理器，這兩個(gè)內(nèi)核通過(guò)一種專(zhuān)成的雙核應(yīng)用處理器，這兩個(gè)內(nèi)核通過(guò)一種專(zhuān)用的處理器內(nèi)部通信機(jī)制相連接。用的處理器內(nèi)部通信機(jī)制相連接。C55x系列可提供對(duì)低功耗應(yīng)用的實(shí)時(shí)多媒體處理系列可提供對(duì)低功耗應(yīng)用的實(shí)時(shí)多媒體處理的支持；的支持；ARM926可滿(mǎn)足控制和接口方面的處可滿(mǎn)足控制和接口方面的處理需要。基于雙核結(jié)構(gòu)，理需要?；陔p核結(jié)構(gòu)，OMAP5912具有極強(qiáng)具有極強(qiáng)的運(yùn)算能力和極低的功耗。的運(yùn)算能力和極低的功耗。OMAP5912內(nèi)部功能框圖3.2 ARM9處理器簡(jiǎn)介 3.2.2 OMAP5912處理器介紹處理器介紹3. 常用的常用的OMAP5912開(kāi)發(fā)工具開(kāi)發(fā)工具（1 1）OMAP5912 Starter Kit OMAP5912 Starter Kit （OSKOSK）（2 2）MU-Q-VGA LCD Module for OMAP5912 MU-Q-VGA LCD Module for OMAP5912 （3 3）Accelerator Program for OMAP5912 Accelerator Pro