嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)第一章ARM處理器概述

1CHAPTERARM處理器概述第1章目錄1.ARM簡(jiǎn)介2.ARM處理器系列3.ARM處理器核的分類和擴(kuò)充標(biāo)識(shí)4.ARM處理器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介第1章目錄1.ARM簡(jiǎn)介2.ARM處理器系列3.ARM處理器核的分類和擴(kuò)充標(biāo)識(shí)4.ARM處理器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介1.1ARM簡(jiǎn)介什么是ARMARM是AdvancedRISCMachines的縮寫。它有三種含義：公司的名稱；一類處理器的通稱；一種技術(shù)的名稱1.1ARM簡(jiǎn)介CISC：復(fù)雜指令集（ComplexInstructionSetComputer）具有大量的指令和尋址方式8/2原則：80%的程序只使用20%的指令大多數(shù)程序只使用少量的指令就能夠運(yùn)行RISC：精簡(jiǎn)指令集（ReducedInstructionSetComputer)在通道中只包含最有用的指令確保數(shù)據(jù)通道快速執(zhí)行每一條指令使CPU硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變得更為簡(jiǎn)單1.1ARM簡(jiǎn)介ARM公司簡(jiǎn)介1985年4月26日，第一個(gè)ARM原型在英國(guó)劍橋的Acorn計(jì)算機(jī)有限公司誕生，由美國(guó)加州SanJoseVLSI技術(shù)公司制造。20世紀(jì)80年代后期，ARM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)。1990年成立了AdvancedRISCMachinesLimited。ARM公司雖然只成立10多年，但在1999年因移動(dòng)電話火爆市場(chǎng)，其32位RISC處理器占市場(chǎng)份額超過(guò)了50%，成為業(yè)界龍頭老大。2001年初，ARM公司的32位RISC處理器市場(chǎng)占有率超過(guò)了75%，引起業(yè)界的極大關(guān)注。ARM公司是知識(shí)產(chǎn)權(quán)供應(yīng)商，是設(shè)計(jì)公司。ARM公司本身不生產(chǎn)芯片，靠轉(zhuǎn)讓設(shè)計(jì)許可，由合作伙伴公司來(lái)生產(chǎn)各具特色的芯片。

1.1ARM簡(jiǎn)介ARM處理器的3大特點(diǎn)如下：小體積、低功耗、成本低、高性能；16位/32位雙指令集；全球眾多的合作伙伴。將技術(shù)授權(quán)給其它芯片廠商形成各具特色的ARM芯片...1.1ARM簡(jiǎn)介當(dāng)前ARM體系結(jié)構(gòu)的擴(kuò)充包括：Thumb:16位指令集，用以改善代碼密度；DSP：用于DSP應(yīng)用的算術(shù)運(yùn)算指令集；Jazeller：允許直接執(zhí)行Java安節(jié)碼的擴(kuò)充。ARM處理器本身是32位設(shè)計(jì)，但也配備16位指令集，以允許軟件編碼為更短的16位指令。與等價(jià)的32代碼相比，占用的存儲(chǔ)器空間節(jié)省高達(dá)35%，然而保留了32位系統(tǒng)所有的優(yōu)勢(shì)。1.1ARM簡(jiǎn)介ARM處理器系列提供的解決方案包括：

在無(wú)線、消費(fèi)電子和圖像應(yīng)用方面的開(kāi)放平臺(tái)；存儲(chǔ)、自動(dòng)化、工業(yè)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)；智能卡和SIM卡的安全應(yīng)用。goReaderInterneteBookSamsungAnyWebInternetScreenPhoneeRemoteIntelligentHomeControllerTektronixTDS7000DigitalOscilloscopesNixvueDigitalAlbumDigitalPhotoAlbum第1章目錄1.ARM簡(jiǎn)介2.ARM處理器系列3.ARM處理器核的分類和擴(kuò)充標(biāo)識(shí)4.ARM處理器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介1.2ARM處理理器器系系列列ARM處處理理器器的的命命名名規(guī)規(guī)則則：：ARM產(chǎn)產(chǎn)品品通通常常以以ARM[x][y][z][T][D][M][I][E][J][F][-s]1.2ARM處理理器器系系列列ARM處處理理器器的的命命名名規(guī)規(guī)則則：：ARM7TDMI之之后后的的所所有有ARM內(nèi)內(nèi)核核，，即即使使沒(méi)沒(méi)有有包包含含TDMI字字符符也也都都默默認(rèn)認(rèn)包包含含了了TDMI的的功功能能特特性性JTAG是是有有IEEE1149.1標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)測(cè)測(cè)試試訪訪問(wèn)問(wèn)端端口口和和邊邊界界掃掃描描結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)來(lái)來(lái)描描述述的的嵌入入式式ICE宏宏單單元元是是建建立立在在處處理理器器內(nèi)內(nèi)部部用用來(lái)來(lái)設(shè)設(shè)置置斷斷點(diǎn)點(diǎn)和和觀觀察察點(diǎn)點(diǎn)的的調(diào)調(diào)試試硬硬件件可綜綜合合意意味味著著處處理理器器內(nèi)內(nèi)核核是是以以源源代代碼碼形形式式提提供供的的1.2ARM處理理器器系系列列ARM處處理理器器系系列列類類型型：：1.2ARM處理理器器系系列列ARM處處理理器器系系列列ARM公公司司開(kāi)開(kāi)發(fā)發(fā)了了很很多多系系列列的的ARM處處理理器器核核，，目目前前最最新新的的系系列列已已經(jīng)經(jīng)是是ARM11了了，，而而ARM6核核以以及及更更早早的的系系列列已已經(jīng)經(jīng)很很罕罕見(jiàn)見(jiàn)了了。。目目前前應(yīng)應(yīng)用用比比較較廣廣泛泛的的系系列列是是：：ARM7ARM9ARM9EARM10SecurCoreXscaleARM11Cortex1.2ARM處理理器器系系列列ARM7概概述述ARM7內(nèi)內(nèi)核核采采用用馮馮··諾諾伊伊曼曼體體系系結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)，，數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)和和指指令令使使用用同同一一條條總總線線。。內(nèi)內(nèi)核核有有一一條條3級(jí)級(jí)流流水水線線，，執(zhí)執(zhí)行行ARMv4指指令令集集指令令寄寄存存器器控制制器器數(shù)據(jù)據(jù)通通道道輸入入輸出出中央央處處理理器器程序存存儲(chǔ)器器指令0指令1指令2數(shù)據(jù)存存儲(chǔ)器器數(shù)據(jù)0數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2地址指令地址數(shù)據(jù)1.2ARM處理器器系列列ARM7的的特點(diǎn)點(diǎn)·成成熟的的大批批量的的32位RICS芯芯片；；·最最高主主頻到到達(dá)130MIPS；·功功耗低低；·代代碼密密度高高，兼兼容16位位微微處理理器；；·開(kāi)開(kāi)發(fā)工工具多多、EDA仿真真模型型多；；·調(diào)調(diào)試機(jī)機(jī)制完完善；；·提提供0.25μμm、、0.18μm及0.13μμm的的生產(chǎn)產(chǎn)工藝藝；·代代碼與與ARM9系系列、、ARM9E系系列列以及及ARM10E系列列兼容容。ARM系列微處理器核特點(diǎn)ARM7ARM7TDMI：整數(shù)處理核ARM7TDMI處理器的可綜合版本；ARM720T：帶MMU的處理器核心，支持操作系統(tǒng)；ARM7EJ-S：帶有DSP和JazelleTM技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)Java加速功能馮諾伊曼體系結(jié)構(gòu)；ARMTDMI是目前應(yīng)用最廣的微處理器核ARM720T帶有MMU和8KB的指令數(shù)據(jù)混合cache；ARM7EJ-執(zhí)行ARMv5TEJ指令，5級(jí)流水線，提供Java加速指令，沒(méi)有存儲(chǔ)器保護(hù)。ARM9ARM920T：帶有獨(dú)立的16KB數(shù)據(jù)和指令Cache；ARM922T：帶有獨(dú)立的8位KB數(shù)據(jù)和指令Cache；ARM940T–包括更小數(shù)據(jù)和指令Cache和一個(gè)MPU基于ARM9TDMI，帶16位的Thumb指令集，增強(qiáng)代碼密度最多到35%；在0.13μm工藝下最高性能可達(dá)到300MIPS（Dhrystone2.1測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)）；集成了數(shù)據(jù)和指令Chche；32位AMBA總線接口的MMU支持；可在0.18μm、0.15μm和0.13μm工藝的硅芯片上實(shí)現(xiàn)。1.2ARM處理器器系列列ARM9EARM926EJ-S：Jazelle技術(shù)，有MMU，可配置的數(shù)據(jù)和指令Cache,TCM接口；ARM946E-S：可配置的數(shù)據(jù)和指令Cache及TCM;ARM966E-S：針對(duì)要求高性能和低功耗的可預(yù)測(cè)的指令執(zhí)行時(shí)間的硬實(shí)時(shí)應(yīng)用設(shè)計(jì)ARM968E-S：最小、功耗最小的

ARM9E系列處理器，針對(duì)嵌入式實(shí)時(shí)應(yīng)用設(shè)計(jì)；ARM9E是針對(duì)微控制器、DSP和Java的單處理器解決方案；ARM

Jazelle

技術(shù)提供8倍的Java加速性能(ARM926EJ-S)；5-級(jí)整數(shù)流水線；在0.13μm工藝下最高性能可達(dá)到300MIPS（Dhrystone2.1測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)）；可選擇的

向量浮點(diǎn)單元VFP9協(xié)處理器，對(duì)于3D圖形加速和實(shí)時(shí)控制可達(dá)到

215MFLOPS。高性能的AHB總線，帶MMU可在0.18μm,0.15μm,0.13μm工藝的硅芯片上實(shí)現(xiàn)。ARM10EARM1020E：帶DSP指令集，在片調(diào)試功能，獨(dú)立的32KB數(shù)據(jù)和指令Cache，MMU支持；ARM1022E：與ARM1020E相同，只是獨(dú)立的數(shù)據(jù)和指令Cache變?yōu)?6KB；ARM1026EJ-S：同時(shí)具有MPU和MMU，可綜合版本；帶分支預(yù)測(cè)的6級(jí)整數(shù)流水線；在0.13μm工藝下最高性能可達(dá)到430MIPS（Dhrystone2.1測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)）；對(duì)于3D圖形運(yùn)算和實(shí)時(shí)控制采用VFP協(xié)處理器，浮點(diǎn)運(yùn)算性能最高可達(dá)650MFLOPS；雙64位AMBA總線接口和64位內(nèi)部總路線接口；優(yōu)化的緩存結(jié)構(gòu)提高了處理器訪問(wèn)低速存儲(chǔ)器的性能；可在0.18μm,0.15μm,0.13μm工藝的硅芯片上實(shí)現(xiàn)1.2ARM處理器器系列列ARM11ARM11MPCore：可綜合的多處理器核，1至4個(gè)處理器可配置；ARM1136J(F)-S：可配置的數(shù)據(jù)和指令Cache，可提供1.9位的MPEG4編碼加速功能；ARM1156T2(F)-S：帶集成浮點(diǎn)協(xié)處理器，帶內(nèi)存保護(hù)單元MPU

；ARM1176JZ(F)-S：帶針對(duì)CPU和系統(tǒng)安全架構(gòu)擴(kuò)展的TrustZone技術(shù)。增強(qiáng)的Thumb、Jazelle、DSP擴(kuò)展支持；帶片上和系統(tǒng)安全TrustZone技術(shù)支持；在0.13μm工藝下最高可達(dá)到550MHz；MPCore在0.13μm工藝下最高性能可達(dá)到740MIPS（Dhrystone2.1測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)）；支持多媒體指令SIMD；采用三種電源模式：全速/待命/休眠集成DMA的TCM低功耗、高性能。SecurCoreSC100：第一個(gè)32位安全處理器；SC110：在SC100上增加密鑰協(xié)處理器；SC200：帶Jazelle技術(shù)的高級(jí)安全處理器；SC210：在SC200上增加密鑰協(xié)處理器SecurCore是專門為智能卡、安全I(xiàn)C提供的32位安全處理器，為電子商務(wù)、銀行、網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)多媒體、公共交通提供安全解決方案；體積小、功耗低，代碼壓縮密度高；為快速增長(zhǎng)的Java卡平臺(tái)提供Java加速功能；1.2ARM處理器器系列列CortexCortex-A：面向應(yīng)用的微處理器，針對(duì)復(fù)雜操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序設(shè)計(jì)；Cortex-R：針對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的嵌入式處理器；Cortex-M：針對(duì)成本敏感應(yīng)用優(yōu)化的深度嵌入式處理器；2004年發(fā)布，提供增強(qiáng)的媒體和數(shù)字處理能力，增加了系統(tǒng)性能；支持ARM、Thumb、Thumb-2指令集；Thumb-2指令集提供了更高的代碼存儲(chǔ)密度，進(jìn)一步降低成本；Intel系列StrongARM：ARMv4體系XScale：ARMv5TE體系，增加MMX指令StrongARM主要應(yīng)用于手持設(shè)備和PDA，5級(jí)流水線，具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)和指令Cache，不支持Thumb指令集，目前已停產(chǎn)；XScale是目前Intel公司主推的高性能嵌入式處理器，分通用處理器、網(wǎng)絡(luò)處理器和I/O處理器三類。其中通用處理器有PXA25x、PXA26x、PXA27x三個(gè)系列，被廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、PDA領(lǐng)域。1.2ARM處理器器系列列1.2ARM處理器器系列列ARM系列列處理理器屬屬性比比較1.2ARM處理器器系列列ARM系列列處理理器功功能比比較第1章章目目錄錄1.ARM簡(jiǎn)介介2.ARM處理理器系系列3.ARM處理理器核核的分分類和和擴(kuò)充充標(biāo)識(shí)識(shí)4.ARM處處理器器結(jié)構(gòu)構(gòu)簡(jiǎn)介介1.3ARM處理器器核的的分類類和擴(kuò)擴(kuò)充標(biāo)標(biāo)識(shí)處理器器核的的分類類用于開(kāi)開(kāi)放平平臺(tái)的的核這些核核賦予予MMU具具有虛虛擬存存儲(chǔ)器器和復(fù)復(fù)雜的的存儲(chǔ)儲(chǔ)器保保護(hù)特特性，，并可可用于于像WinCE，Linux等操操作系系統(tǒng)用于實(shí)實(shí)時(shí)嵌嵌入式式操作作系統(tǒng)統(tǒng)的核核這些核核用于于工作作在封封閉的的嵌入入式控控制系系統(tǒng)中中，通通常運(yùn)運(yùn)行實(shí)實(shí)時(shí)操操作系系統(tǒng)處理器器的擴(kuò)擴(kuò)充標(biāo)標(biāo)識(shí)第1章章目目錄錄1.ARM簡(jiǎn)介介2.ARM處理理器系系列3.ARM處理理器核核的分分類和和擴(kuò)充充標(biāo)識(shí)識(shí)4.ARM處理理器結(jié)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)簡(jiǎn)介1.4ARM處理理器結(jié)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)簡(jiǎn)介RISC體體系結(jié)結(jié)構(gòu)特點(diǎn):指令規(guī)規(guī)整、、對(duì)稱稱、簡(jiǎn)簡(jiǎn)單。。指令令數(shù)少少于100條，，基本本尋址址方式式有2～3種單周期期指令令。指指令字字長(zhǎng)度度一致致，單單拍完完成，，便于于流水水操作作大量的的寄存存器。。寄存存器不不少于于32個(gè)。。RISC定定義是一種種設(shè)計(jì)計(jì)思想想，定定義有有兩種種說(shuō)法法來(lái)自于于卡基基梅梅隆大大學(xué)來(lái)自于于IEEE的邁邁克爾爾斯斯萊特特ARM體系系結(jié)構(gòu)構(gòu)繼承承了RISC結(jié)結(jié)構(gòu)使用的的特性性：加加載、、存儲(chǔ)儲(chǔ)體系系、固固定32位位指令令、三三地址址指令令格式式舍棄的的特征征：寄寄存器器窗口口、延延遲轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移和和所有有指令令單周周期1.4ARM處理理器結(jié)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)簡(jiǎn)介ARM和Thumb狀態(tài)態(tài)Thumb指令令集是是32位ARM指令令集的的功能能子集集ARM狀態(tài)態(tài)下的的處理理器不不能執(zhí)執(zhí)行Thumb指令令，反反之亦亦然ARM處理理器的的7種種處理理器模模式用戶模模式：：ARM處處理器器正常常的程程序執(zhí)執(zhí)行狀狀態(tài)FIQ：用用于高高速數(shù)數(shù)據(jù)傳傳輸或或通道道處理理IRQ：用用于通通用的的中斷斷處理理管理模模式：：操作作系統(tǒng)統(tǒng)使用用的保保護(hù)模模式中止模模式：：當(dāng)數(shù)數(shù)據(jù)或或指令令預(yù)取取終止止時(shí)進(jìn)進(jìn)入該該模式式，可可用于于虛擬擬存儲(chǔ)儲(chǔ)及存存儲(chǔ)保保護(hù)系統(tǒng)模模式：：運(yùn)