第一章ARM微处理器概述(东北大学嵌入式课件)

ARM应用系统设计第一章ARM微处理器概述佘黎煌东北大学信息科学与工程学院电子信息工程研究所学好ARM就有机会!ARM微处理器概述ARM－AdvancedRISCMachinesARM微处理器的应用领域ARM微处理器的特点,RISC,流水线ARM微处理器系列ARM微处理器的体系结构ARM微处理器的应用选型需要掌握的内容:1什么是RISC指令集2什么流水线3ARM型号的识别.一、ARM概述ARM是什么？AdvancedRISCMachines一个公司的名字——英国知识产权核（IP）设计公司一类微处理器的通称一种技术的名字（ARM微处理器核）ARM－AdvancedRISCMachinesIP（IntellectualProperty）知识产权。硅知识产权核是预先设计好的电路功能模块。IP核分为软核、硬核和固核Fabless(无生产线）RISCReducedInstructionSetComputer精简指令集计算机ARM：RISC处理器IP核＋FablessARM－AdvancedRISCMachines基于ARM技术的32位微处理器，市场的占有率目前已达到80%将技术授权给其它芯片厂商形成各具特色的ARM芯片中兴集成电路、大唐电讯、中芯国际、上海华虹应用领域无线通信领域：手机、PDA消费类电子产品：数字媒体播放器、游戏机网络应用：语音及视频处理、数字机顶盒、VoIP成像和安全产品：数码相机、打印机、SIM智能卡工业控制与仪器仪表：其他领域ARM－AdvancedRISCMachinesARMPoweredProductsLexmarkZ52ColorJetprinterSamsungML5100AJVCPixstarGC-X1HPJornado820PsionRevoPlusHPCapShareSonyMZ-R90MiniDiscNokia8810NokiaMediamasterNintendoGameboyAdvanceEricssonR380AlbaBushInternetTV3Com10/100PCINICIomegaHipZipDiamondMultimediaRio600ARM处理器的使用量ARM微处理器概述ARM－AdvancedRISCMachinesARM微处理器的应用领域ARM微处理器的特点,RISC,流水线ARM微处理器系列ARM微处理器的体系结构ARM微处理器的应用选型特点体积小、低功耗、低成本、高性能支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集全球众多的合作伙伴ARM－AdvancedRISCMachines总线结构冯·诺依曼结构(VonNeumannArchitecture)程序代码和数据共用一个公共的存储空间和单一的地址与数据总线。中央处理器存储器程序指令0指令1指令2指令3数据数据0数据1数据2总线冯·诺依曼体系结构模型指令的执行周期T1）取指令（InstructionFetch)：TF2）指令译码（InstructionDecode）：TD3）执行指令（InstructionExecute）：TE4）存储（Storage）：TS每条指令的执行周期：T=TF+TD+TE+TS冯·诺依曼体系的特点1）数据与指令都存储在同一存储区中，取指令与取数据利用同一数据总线。2）被早期大多数计算机所采用3）ARM7——冯诺依曼体系结构简单,但速度较慢。取指不能同时取数据RISC技术和流水线技术哈佛结构（HarvardArchitecture)程序代码和数据的存储空间分开，并行地进行指令和数据的处理，从而可以大大地提高运算的速度中央处理器程序存储器指令0指令1指令2数据存储器数据0数据1数据2总线总线哈佛体系结构模型哈佛体系结构的特点1）程序存储器与数据存储器分开.2）提供了较大的存储器带宽，各自有自己的总线。3）适合于数字信号处理.4）大多数DSP都是哈佛结构.5）ARM9是哈佛结构6）取指和取数在同一周期进行，提高速度，改进哈佛体系结构分成三个存储区：程序、数据、程序和数据共用。RISC体系结构●RISC特点如下：精简指令集计算机RISC结构的产生是相对于传统的复杂指令集计算机CISC结构而言的。RISC技术和流水线技术CISC（ComplexInstructionSetComputer）复杂指令集计算机具有大量的指令和寻址方式8/2原则：80%的程序只使用20%的指令。大多数程序只使用少量的指令就能够运行。CISCCPU包含有丰富的单元电路，因而功能强、面积大、功耗大。RISC技术和流水线技术RISC（ReducedInstructionSetComputer）精简指令集计算机指令规整、对称、简单。指令小于100条，基本寻址方式有2~3种。单周期指令。指令字长度一致，单拍完成，便于流水操作。大量的寄存器。寄存器不少于32个。数据处理器的指令只对寄存器的内容操作。只有加载／存储指令可以访问存储器。使CPU硬件结构设计变得更为简单，RISCCPU包含较少的单元电路，因而面积小、功耗低RISC技术和流水线技术RISC技术和流水线技术主要差别：寄存器RISC指令集拥有更多的通用寄存器，每个可以存放数据和地址，寄存器为所有的数据操作提供快速的存储访问。CISC指令集多用于特定目的的专用寄存器。LOAD/STORE结构RISC结构：CPU仅处理寄存器中的数据，采用独立的、专用的LOAD/STORE指令来完成数据在寄存器和外存之间的传送。（访存费时，处理和存储分开，可以反复的使用保存在寄存器中的数据，而避免多次访问外存）。CISC结构能直接处理存储器中的数据。RISC技术和流水线技术单周期指令3级流水线操作取指译码执行取指译码执行取指译码执行t指令指令1指令2指令312345流水线(Pipeline)技术：几个指令可以并行执行•提高了CPU的运行效率•内部信息流要求通畅流动ARM9TDMI的五级流水线ARM7TDMI与ARM9TDMI流水线比较ARM9流水线结构ARM的流水线结构ARM微处理器概述ARM－AdvancedRISCMachinesARM微处理器的应用领域ARM微处理器的特点,RISC,流水线ARM微处理器系列ARM微处理器的体系结构ARM微处理器的应用选型ARM处理器的分类基于指令集体系结构的分类v1，v2，v5，v5TEJ，v6,v7基于处理器内核的分类ARM7，ARM9，ARM10，ARM11，StrongARM，XScale等ARM微处理器系列ARM体系结构版本各ARM体系结构版本ARM体系结构从最初开发到现在有了很大的改进，并仍在完善和发展。为了清楚的表达每个ARM应用实例所使用的指令集，ARM公司定义了7种主要的ARM指令集体系结构版本，以版本号V1～V6、Cortex表示。V1版架构􀁹􀁹该版架构只在原型机ARM1出现过,其基本性能：基本的数据处理指令(无乘法)字节、半字和字的LOAD/STORE指令转移指令，包括子程序调用及链接指令软件中断指令寻址空间：64M字节(26)V2版架构􀁹􀁹该版架构对V1版进行了扩展,如ARM2架构,增加了以下功能：乘法和乘加指令支持协处理器操作指令快速中断模式SWP/SWPB基本存储器与寄存器交换指令寻址空间：64M字节V3版架构把寻址空间增至32位(4G字节),增加了当前程序状态寄存器CPSR和程序状态保存寄存器SPSR以便于异常的处理。增加了中止和未定义二种处理器模式。ARM6就采用该版架构。指令集变化如下：增加了MRS/MSR指令,以访问新增的CPSR/SPSR寄存器增加了从异常处理返回的指令功能。V4版架构􀁹􀁹V4版架构是目前应用最广的ARM体系结构,对V3版架构进行了进一步扩充,有的还引进了16位的Thumb指令集,使ARM使用更加灵活。ARM7、ARM8、ARM9和StrongARM都采用该版架构。指令集中增加了以下功能：有符号、无符号的半字和有符号字节的Load/Store指令。增加了16位Thumb指令集完善了软件中断SWI指令的功能增加了处理器的特权模式。V5版架构􀁹􀁹这是最近几年推出ARM架构,在V4版基本上增加了一些新的指令,ARM10和XScale都采用该版架构,这些新增指令有：带有链接和交换的转移BLX指令计数前导零CLZ指令BKPT软件断点指令增加了信号处理指令为协处理器增加更多可选择的指令v6版架构ARMV6V6在V5上增加了以下功能：Thumb-2增强代码密度SIMD增强媒体和数字处理功能TrustZone提供增强的安全性能IEM提供增强的功耗管理功能。ARM11，ARM1156T-S、ARM115T2F-S、ARM1176JZ-S、ARM11JZF-S36v7版架构ARM指令集体系结构（ISA）各版本简介（续）ARMv7（2004年以后）属于全新的CortexTM系列具有A（应用处理器）、R（嵌入式实时处理器）、M（微控制器）三个类型采用了Thumb-2技术纯32位代码少使用31％的内存，比Thumb技术高出38％的性能采用了NEONTM技术，以增强DSP和多媒体处理性能,将DSP和媒体处理能力提高了近4倍Cortex-A8为第一个采用超标量架构的ARM处理器各ARM版本向下兼容，即为某低版本内核编写的程序无需修改可直接运行于具有同等扩展功能的高版本内核中（有个别例外）3.1ARM简介ARM处理器核简介ARM公司开发了很多系列的ARM处理器核，目前最新的系列已经是ARM11了，而ARM6核以及更早的系列已经很罕见了。目前应用比较广泛的系列是：ARM7ARM9ARM9EARM10SecurCoreXscaleARM11CortexARM微处理器系列ARM系列产品表示ARM926EJ-SFamilynumber7:ARM79:ARM910:ARM1011:ARM11Memorysystem2:Cache,MMU,ProcessID4:Cache,MPU6:Writebuffer,nocacheMemorysize0:Cachesize(4-128KB)2:Reducedcachesize6:TCMSynthesizableExtensionsE:DSPextensionJ:JazelleextensionT:Thumbsupport…标志含义说明T支持Thumb指令集Thumb指令集版本1：ARMv4TThumb指令集版本2：ARMv5TThumb-2：ARMv6TD片上调试使处理器能够停止，以响应调试请求M支持长乘法32位乘32位得到64位，32位的乘加得到64位IEmbeddedICE提供片上断点和调试点EDSP指令增加了DSP算法处理器指令：16位乘加指令，饱和的带符号数的加减法，双字数据操作，cache预取指令JJava加速器Jazelle提高java代码的运行速度S可综合提供VHDL或Verilog语言设计文件ARM7系列微处理器特点：低功耗嵌入式ICE－RT逻辑0.9MIPS/MHz的3级流水线结构32位ARM指令集和16位的Thumb指令集主频最高可达130MHzICE：InCircuitEmulation，在电路仿真MIPS：MillionInstructionPerSecond每秒百万条指令ARM7系列微处理器ARM7FamilyUnifiedCache内存管理流水线级别ThumbDSPJazelleARM7TDMI无无3有无无ARM7TDMI-S无无3有无无ARM710T/720T8kMMU3有无无ARM740T8k或4kProtectionUnit3有无无ARM7EJ-S无无3有有有ARM7系列微处理器典型芯片：ATMEL:AT91M40800/55800ASamsung:S3C44B0/4510BST:STR710xAR