嵌入式系統(tǒng)第二章 ARM微處理器的體系結(jié)構(gòu).ppt

1、2.1 ARM微處理器，2.1.1 ARM微處理器概述，arm高級(jí)RISC機(jī)器，精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)， ARM32位RISC結(jié)構(gòu)IP第2章ARM微處理器的體系結(jié)構(gòu)，英國(guó)ARM公司32名RISC體系結(jié)構(gòu)IP核心提供商，ARM公司是英國(guó)先進(jìn)的RISC機(jī)器公司(高級(jí)RISC機(jī)器，簡(jiǎn)稱(chēng)ARM公司) 作為chipless生產(chǎn)模式最成功的模范，介紹的半導(dǎo)體公司基于ARM技術(shù)，根據(jù)自己的產(chǎn)品定位，追加自己的設(shè)定修訂，推出芯片產(chǎn)品，最后，OEM客戶使用這些芯片構(gòu)建基于ARM技術(shù)的最終應(yīng)用產(chǎn)品高級(jí)RISC機(jī)器(arm )公司是世界領(lǐng)先的嵌入式微處理器IP核心提供商(intellectual property )；

2、ARM微處理器核心提供高性能、低功耗、低成本、高可靠的RISC處理器核心、外圍部件、系統(tǒng)級(jí)芯片應(yīng)用程序和配置修訂方案，包括移動(dòng)通信工具、手持計(jì)算機(jī)、多媒體適用于嵌入式系統(tǒng)解決方案，ARM處理器是縮小指令集計(jì)算機(jī)(RISC) 1990年，ARM特別是為了擴(kuò)大ARM技術(shù)的開(kāi)發(fā)而成立了獨(dú)立的公司。 此后，ARM被世界各地許多半導(dǎo)體制造商授權(quán)。 成為以低功耗追求成本的嵌入式應(yīng)用程序的市場(chǎng)領(lǐng)先者。 ARM的全球合作伙伴，半導(dǎo)體和系統(tǒng)合作伙伴操作系統(tǒng)合作伙伴開(kāi)發(fā)工具合作伙伴ARM技術(shù)共享計(jì)劃(ATAP )，ARM2002年的市場(chǎng)份額， ARM的應(yīng)用領(lǐng)域ARM7系列ARM9系列ARM9E系列ARM10E系列

3、ARM11系列英特爾的xscale英特爾的StrongARM SecurCore系列、通用型、2.1.2 ARM系列微處理器、1 ARM7:32位ARM架構(gòu)4T版本： T:“Thumb”16位壓縮指令集d :芯片上調(diào)試(Debug )，使得處理器能夠停止以響應(yīng)調(diào)試請(qǐng)求m :與上一代產(chǎn)品相比，可提供更高性能和64位結(jié)果的增強(qiáng)multiplier I :“嵌入式ice”硬件支持片上斷點(diǎn)和視點(diǎn)。 ARM7系列核介紹，1)ARM7TDMI組織結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵特性是ARM體系結(jié)構(gòu)版本4T； 支持Thumb指令集， 降低開(kāi)銷(xiāo)328 DSP乘法器32位地址空間- -包括嵌入式ice模塊，支持- 4GB線性地址空間

4、嵌入式系統(tǒng)調(diào)試。JTAG控制邏輯可能是處理器核心的一部分，是廣泛的ARM和第三方處理器ARM7系列核心介紹，2)ARM7TDMI硬件接口根據(jù)接口信號(hào)的功能，提供內(nèi)存接口、MMU接口、芯片上調(diào)試、 被劃分為十四種接口信號(hào)的每個(gè)接口信號(hào)包括：接口信號(hào)和接口控制信號(hào)，如JTAG邊界掃描擴(kuò)展和時(shí)鐘接口，ARM7TDMI核的外圍硬件接口信號(hào)圖，ARM7系列核介紹，3 ) ARM7TDMI應(yīng)用程序廣泛應(yīng)用于存儲(chǔ)器部署相對(duì)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)中，最成功的典型是移動(dòng)電話、PDA，在此應(yīng)用程序中，根據(jù)控制和用戶接口功能的2、ARM9系列核心，ARM9TDMI是管道ARM9TDMI的性能在相同的工藝條件下達(dá)到ARM7TDM

5、I的約2倍，ARM9系列的核介紹，1)ARM9TDMI技術(shù)特征支持Thumb指令集。 在支持芯片(包括嵌入式ice模塊)上采用調(diào)試5段管線，以提高CPI的最高時(shí)鐘速率，并將指令與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)端口分離，從而提高處理器性能。 ARM9系列核心介紹，2)ARM9TDMI組織ARM9TDMI使用數(shù)據(jù)路徑中的ALU來(lái)校正目標(biāo)地址。、ARM9系列內(nèi)核介紹、3)ARM9TDMI的流水線操作、ARM9系列內(nèi)核介紹、4)Thumb解碼(專(zhuān)用硬件解碼單元)和內(nèi)存讀寫(xiě)(分別的指令和數(shù)據(jù)內(nèi)存)5)協(xié)處理器為6 )片上調(diào)試(優(yōu)化各段管線，采用6段管線)降低CPI。 (使用64位內(nèi)存)，4，ARM11系列內(nèi)核，半體系結(jié)構(gòu)指令

6、集版本ARMv6內(nèi)部8級(jí)管線全頻率500-700Mhz流媒體支持應(yīng)用：3G移動(dòng)電話、廣域網(wǎng)接入設(shè)備、 Cortex系列，哈佛架構(gòu)指令集版本armv6thumb-2指令集設(shè)定修訂應(yīng)用：手機(jī)和汽車(chē)產(chǎn)品的設(shè)定修訂， 高性能數(shù)字圖像ARM Cortex-A系列：復(fù)雜的操作系統(tǒng)和客戶端應(yīng)用程序處理器ARM Cortex-R系列：實(shí)時(shí)系統(tǒng)嵌入式處理器ARM Cortex-M系列：注重價(jià)格微處理器應(yīng)用程序cortex、6、SecurCore系列內(nèi)核、SecurCore系列微處理器經(jīng)過(guò)修訂，以滿足安全需求，提供完善的32位RISC技術(shù)安全解決方案。 靈活的保護(hù)單元可確保操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序數(shù)據(jù)的安全性。 采用軟

7、內(nèi)核技術(shù)，防止外部掃描檢測(cè)。 集成用戶自己的安全功能和其他協(xié)處理器。 7、StrongARM、XScale系列內(nèi)核適用于PDA的高性能、低功耗、基于ARM架構(gòu)的微處理器。 StrongARM的主要特征是，除了具有寄存器前向的5段流水線64位乘法運(yùn)算、多寄存器傳送、存儲(chǔ)器/寄存器交換指令以外的所有通常指令都是單周期指令，8個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的寫(xiě)緩沖區(qū)、每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)16字節(jié)低功耗的偽靜態(tài)StrongARM的高速乘法器。 微處理器使用系統(tǒng)控制協(xié)處理器CP15管理芯片上MMU和Cache資源，并且集成JTAG邊界掃描測(cè)試電路以支持印刷電路板連接測(cè)試。 StrongARM的5段輸油管指(來(lái)自指令Cache )。 指

8、令譯碼及寄存器讀出轉(zhuǎn)移目的地的修正運(yùn)算及執(zhí)行。 移位和ALU操作，包括數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇鎯?chǔ)器地址校正。 數(shù)據(jù)緩存的訪問(wèn)結(jié)果寫(xiě)入寄存器文件，XScale系列內(nèi)核、Intel XScale系列處理器內(nèi)核基于ARMv5TE體系結(jié)構(gòu)，從手持互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備到互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施基于XScale技術(shù)開(kāi)發(fā)的系列微處理器結(jié)合超低功率和高性能，將英特爾XScale應(yīng)用于廣泛的互聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備，ARM處理器的主要特性：采用縮小指令集(RISC )的16位/采用32位的2指令集采用多段流水線和高速緩存技術(shù)寄存器大多數(shù)數(shù)據(jù)操作采用寄存器加載/存儲(chǔ)模式支持多種運(yùn)行模式(7種) 支持協(xié)處理器的接口嵌入式在線模擬采用ICE-RT邏輯JTag

9、模擬ARM微處理器的2.1.3 ARM系列微處理器的特點(diǎn)指令規(guī)則、簡(jiǎn)單、數(shù)量少的管道數(shù)據(jù)處理操作只對(duì)寄存器進(jìn)行(加載/存儲(chǔ)型)，緊湊指令集的主要特征：2.2.2 ARM微處理器的緊湊指令集， 2.2.3 ARM微處理器提高多級(jí)管線CPU的工作頻率和利用效率ARM7系列微處理器3級(jí)管線ARM9系列5級(jí)管線ARM10系列6級(jí)管線ARM11系列8級(jí)管線，1 ) ARM的3段流水線介紹ARM7之前的ARM處理器使用的簡(jiǎn)單3段流水線是2 )在arm 3級(jí)流水線上的PC的行為3級(jí)流水線的運(yùn)行中，通過(guò)R15寄存器直接訪問(wèn)PC時(shí)，當(dāng)時(shí)流水線的運(yùn)行過(guò)程的實(shí)際情況，3級(jí)流水線5級(jí)管線ARM的組織、ARM的5級(jí)管線

10、ARM9和StrongARM架構(gòu)都必須采用5級(jí)管線。 數(shù)據(jù)重寫(xiě)的專(zhuān)用路徑和寄存器追加了的指令的執(zhí)行過(guò)程5分割：指令解碼執(zhí)行數(shù)據(jù)緩存寫(xiě)回，ARM9TDMI，指令fetch，Shift ALU，Memory Access， 記憶體存取記憶體，寫(xiě)入，ARM9TDMI，arm or thumb inst解碼，reg選取，reg讀取，Shift，ALU，reg寫(xiě)入解碼，執(zhí)行，ARM7TDMI 2.3.1 ARM微處理器的動(dòng)作狀態(tài)、ARM920T處理器上2種動(dòng)作狀態(tài)： ARM動(dòng)作狀態(tài)32位的ARM命令集Thumb動(dòng)作狀態(tài)16位的Thumb命令集可通過(guò)BX命令(分支和交換命令)切換ARM狀態(tài)和Thumb動(dòng)作

11、狀態(tài)2.3 ARM微處理器的動(dòng)作狀態(tài)和動(dòng)作模式、ARM處理器程序的執(zhí)行中，處理器可在兩種狀態(tài)下在ARM和Thumb之間切換，不影響處理器的模式和寄存器的內(nèi)容。 ARM腳本和Thumb腳本具有相應(yīng)的狀態(tài)切換命令。 開(kāi)始執(zhí)行代碼時(shí)，ARM處理器僅處于ARM狀態(tài)。 另一方面，在ARm處理器動(dòng)作狀態(tài)、ARM處理器在兩種動(dòng)作狀態(tài)之間切換方法且進(jìn)入Thumb狀態(tài)的操作數(shù)寄存器RM的狀態(tài)位bit0為1時(shí)，執(zhí)行BX Rm指令來(lái)進(jìn)入Thumb狀態(tài)。 在Thumb狀態(tài)下處理器異常時(shí)，異常處理(IRQ、FIQ、Undef、Abort、SWI )關(guān)閉時(shí)自動(dòng)切換到Thumb狀態(tài)。 進(jìn)入ARm狀態(tài)的操作數(shù)寄存器RM的狀態(tài)

12、位bit0為0時(shí)，執(zhí)行BX Rm指令進(jìn)入ARM狀態(tài)。 處理器進(jìn)行異常處理時(shí)，將PC放入異常模式鏈接寄存器LR，即使從異常向量地址執(zhí)行，也能夠進(jìn)入ARM狀態(tài)。例如：從ARM狀態(tài)到Thumb狀態(tài)： LDR R0、=Label 1； Label是程序標(biāo)簽BX R0從Thumb狀態(tài)切換到ARM狀態(tài)： LDR R0，=Label BX R0， 2.3.2處理器的運(yùn)行模式，ARM處理器有7個(gè)執(zhí)行模式： (1)用戶模式(usr) -通常的程序執(zhí)行模式(2)中斷模式(irq) -通用中斷處理(3)高速中斷模式(fiq) -高速數(shù)據(jù)中使用的數(shù)據(jù)命令預(yù)取中止時(shí)用(6)系統(tǒng)模式(sys)-運(yùn)行有權(quán)限的操作系統(tǒng)(7)

13、未定義命令中止模式(und)-支持硬件協(xié)處理器軟件模擬，CPSR (的后5位定義當(dāng)前的工作模式用戶模式以外的其他6個(gè)模式為特權(quán)模式特權(quán)模式中的系統(tǒng)模式以外的5個(gè)模式為異常模式，即fiq (fastinterruptrequest ) IRQ (interrupt request ) SVC (suuster 也稱(chēng)為2.4.1 ARM狀態(tài)下的寄存器組織、寄存器、未分組寄存器R0R7、各模式共通、分組寄存器R8R14、不同模式專(zhuān)用、程序計(jì)數(shù)器R15、各模式共通、當(dāng)前的程序狀態(tài)寄存器CPSR和備份程序SPSR如果從不同模式專(zhuān)用的一種模式切換到另一種模式，發(fā)射機(jī)的內(nèi)容就不會(huì)受到保護(hù)，編程時(shí)請(qǐng)注意。 (

14、2)包寄存器R8R14可以與每次訪問(wèn)包寄存器的物理寄存器的當(dāng)前操作模式相關(guān)。相同分組發(fā)射機(jī)，在不同工作模式下加上后綴的示例： R8_fiq表示高速中斷模式下的R8發(fā)射機(jī)。 在包寄存器之中，R13一般用作堆棧指針(類(lèi)似于AT89S51的SP )，而R14(LR )一般用作仲裁程序的鏈接寄存器，并且當(dāng)執(zhí)行仲裁程序指令BL時(shí)，將程序計(jì)數(shù)器R15的內(nèi)容復(fù)制并存儲(chǔ)在R14中， 從子程序返回到程序計(jì)數(shù)器R14，(3)程序計(jì)數(shù)器R15(PC )、R15一般用于保存接下來(lái)執(zhí)行指令的地址(類(lèi)似于AT89S51的PC )，在ARM狀態(tài)下R15的最低2位為0，在Thumb狀態(tài)下當(dāng)前的程序狀態(tài)寄存器cpp當(dāng)前的程序狀態(tài)寄存器CPSR存儲(chǔ)當(dāng)前的狀態(tài)和控制的標(biāo)志位，備份程序狀態(tài)寄存器SPSR在切換動(dòng)作模式時(shí)存儲(chǔ)程序狀態(tài)寄存器CPSR的當(dāng)前值、程序狀態(tài)寄存器的格式n、z、c， v條件代碼標(biāo)志： n負(fù)數(shù)標(biāo)志z零標(biāo)志c進(jìn)位標(biāo)志v溢出標(biāo)志I and F比特是中斷禁止比特M0、M1、M2、M3、M4是