ARM体系结构

第2章ARM体系结构成于大气信达天下Copyright@2015lshChengduUniversityofInformationTechnology1ChengduUniversityofInformationTechnology第二章嵌入式微处理器第2章ARM体系结构成于大气信达天下Copyright@2015lshChengduUniversityofInformationTechnology2主要内容1ARMCPUISA的发展历史2典型ARMCPUCore体系结构3ARM编程模型本章部分内容可以参考：第2章ARM体系结构成于大气信达天下Copyright@2015lshChengduUniversityofInformationTechnology3ARM公司成立于1990年11月前身为Acorn计算机公司主要设计ARM系列RISC处理器内核授权ARM内核给生产和销售半导体的合作伙伴ARM公司不生产芯片另外也提供基于ARM架构的开发设计技术软件工具,评估板,调试工具,应用软件,总线架构,外围设备单元，等等第2章ARM体系结构成于大气信达天下Copyright@2015lshChengduUniversityofInformationTechnology4ARMCPUCore概述ARM内核是一种32/64位RISC微处理器，具有功耗低、性价比高、代码密度高等三大特色。ARM处理器具有RISC体系结构的典型特征:体积小、低功耗、低成本、高性能；支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好地兼容8位/16位器件；大量使用寄存器，指令执行速度更快；大多数数据操作都在寄存器中完成寻址方式灵活简单，执行效率高指令长度固定所有指令都可以条件执行，以增大执行吞吐量。第2章ARM体系结构成于大气信达天下Copyright@2015lshChengduUniversityofInformationTechnology52.1ARMCPUISA的发展历史ARMCPU的指令集体系ISA（即ARMInstructionSetArchitecture）从最初的V1版本发展到现在，先后出现了V1,V2,V3,V4,V4T,V5TE,V5TEJ,V6,V7,V8等主要的版本。ARMV1～V3版本的处理器未得到大量应用，ARM处理器的大量广泛应用是从其V4版本开始的V7系列CPU被称作CorTex系列到目前V8是最新的版本，可以选择64或32执行状态。64执行状态针对64位处理技术，引入了一个全新指令集A64，可以存取大虚拟地址空间。第2章ARM体系结构成于大气信达天下Copyright@2015lshChengduUniversityofInformationTechnology6DevelopmentoftheARMArchitectureHalfwordandsignedhalfword/bytesupportSystemmodeThumbinstructionset(v4T)ImprovedinterworkingCLZSaturatedarithmeticDSPMACinstructionsExtensions:Jazelle(5TEJ)SIMDInstructionsMulti-processingv6MemoryarchitectureUnaligneddatasupportExtensions:Thumb-2(6T2)TrustZone®(6Z)Multicore(6K)Thumbonly(6-M)NotethatimplementationsofthesamearchitecturecanbedifferentCortex-A8-architecturev7-A,witha13-stagepipelineCortex-A9-architecturev7-A,withan8-stagepipelineThumb-2ArchitectureProfiles7-A-Applications7-R-Real-time7-M-Microcontrollerv4v5v6v7v864bitArch第2章ARM体系结构成于大气信达天下Copyright@2015lshChengduUniversityofInformationTechnology7---ARMV4•ARMV4是目前支持的最老的架构,是基于32-bit地址空间的32-bit指令集。ARMv4除了支持ARMv3的指令外还扩展了：支持halfword的存取支持byte和halfword的符号扩展读支持Thumb指令提供Thumb和Normal状态的转换指令进一步的明确了会引起Undefined异常的指令对以前的26bits体系结构的CPU不再兼容第2章ARM体系结构成于大气信达天下Copyright@2015lshChengduUniversityofInformationTechnology8---ARMv4T•ARMv4T增加了16-bitThumb指令集，这样使得编译器能产生紧凑代码（相对于32-bit代码，内存能节省到35%以上)并保持32-bit系统的好处。•Thumb在处理器中仍然要扩展为标准的32位ARM指令来运行。用户采用16位Thumb指令集最大的好处就是可以获得更高的代码密度和降低功耗。第2章ARM体系结构成于大气信达天下Copyright@2015lshChengduUniversityofInformationTechnology9---ARMV5TE•1999年推出ARMv5TE其增强了Thumb体系,增强的Thumb体系增加了一个新的指令同时改进了Thumb/ARM相互作用、编译能力和混合及匹配ARM与Thumb例程，以更好地平衡代码空间和性能•并在ARMISA上扩展了增强的DSP指令集:增强的DSP指令包括支持饱和算术（saturatedarithmetic）,并且针对AudioDSP应用提高了70%性能。‘E’扩展表示在通用的CPU上提供DSP能力。第2章ARM体系结构成于大气信达天下Copyright@2015lshChengduUniversityofInformationTechnology10---ARMv5TEJ•2000年推出ARMv5TEJ，增加了Jazelle扩展以支持Java加速技术（处理器指令层对JAVA加速）。•Jazelle技术比仅仅基于软件的JVM性能提高近8倍的性能减少了80％的功耗。第2章ARM体系结构成于大气信达天下Copyright@2015lshChengduUniversityofInformationTechnology11---ARMv6•2001年推出ARMv6，它在许多方面做了改进如内存系统、异常处理和较好地支持多处理器。•SIMD扩展使得广大的软件应用如Video和Audiocodec的性能提高了4倍。•Thumb-2和TrustZone技术也用于ARMv6中。ARMv6第一个实现是2002年春推出的ARM1136J(F)-STM处理器，2003年又推出了ARM1156T2(F)-S和ARM1176JZ(F)-S处理器。第2章ARM体系结构成于大气信达天下Copyright@2015lshChengduUniversityofInformationTechnology12---ARMv7•ARMv7定义了3种不同的处理器配置（processorprofiles）:ProfileA是面向复杂、基于虚拟内存的OS和应用的ProfileR是针对实时系统的ProfileM是针对低成本应用的优化的微控制器的。•所有ARMv7profiles实现Thumb-2技术，比纯32位代码少使用31%的内存，高出38%的性能。同时还包括了NEON™技术的扩展提高DSP和多媒体处理吞吐量400％，并提供浮点支持以满足下一代3D图形和游戏以及传统嵌入式控制应用的需要。•关于ARM架构发展可以参考：第2章ARM体系结构成于大气信达天下Copyright@2015lshChengduUniversityofInformationTechnology13---ARMv82011年11月，ARM公司发布了新一代处理器架构ARMV8，ARM的首个64位架构。在继承了V7架构的基础上，可以选择64或32执行状态。64执行状态针对64位处理技术，引入了一个全新指令集A64，可以存取大虚拟地址空间；运用ARMv8指令集的产品：ARM12年十月发布了Cortex-A53andCortex-A57核心。13年苹果基于V8架构的Apple7使用在了iPhone5S上。第2章ARM体系结构成于大气信达天下Copyright@2015lshChengduUniversityofInformationTechnology14ARM/Thumb的命名规范（Classic命名）由于ARM的每个版本都有一系列的可变版本，其命名规范（Classic命名）如下：1.以ARMv开头2.ARM指令集的版本号（1－5）3.可变功能标识（T—表示支持Thumb指令，M---表示支持乘法指令,E—增强型DSP指令,J—Java加速器Jazelle,SIMD—ARM媒体功能扩展），但是ARMv4和其上的版本缺省都支持M功能，因此ARMv4和其上的版本的标识中可以不用标识M.4.如果3中描述的功能不存在，则在该功能标识符前加x第2章ARM体系结构成于大气信达天下Copyright@2015lshChengduUniversityofInformationTechnology15ARM处理器命名（Classic命名）采用上述的架构，形成一系列的处理器。有时候还要区分处理器核和处理器系列。不过，在这里其实不用区分太细，毕竟这是功能的小部分的变化，核心是相同的。规则：ARM{x}{y}{z}{T}{D}{M}{I}{E}{J}{F}{-S}x--处理器系列y--存储管理/保护单元z--cacheT--支持Thumb指令集D--支持片上调试M--支持快速乘法器I--支持EmbeddedICE，支持嵌入式跟踪调试E--支持增强型DSP指令J--支持JazelleF--具备向量浮点单元VFP-S--可综合版本如ARM7TDMI第2章ARM体系结构成于大气信达天下Copyright@2015lshChengduUniversityofInformationTechnology16ARM处理器的分类（现在常用命名）•结构体系版本（Architecture）ARMv4TARMv5TEARMv6ARMCortex(v7)•ProcessorFamily–ARM7–ARM9–ARM10–ARM11–ARMCortex•按应用特征分类(定义3种不同的处理器配置)–应用处理器•ApplicationProcessor–实时控制处理器•Real-timeController–微控制器•Micro-controller特征：MMU,Cache最快频率、最高性能、合理功耗特征：MPU,Cache实时响应、合理性能、较低功耗特征：nosub-memorysystem一般性能、最低成本、极低功耗第2章ARM体系结构成于大气信达天下Copyright@2015lshChengduUniversityofInformationTechnology17EmbeddedProcessors第2章ARM体系结构成于大气信达天下Copyright@2015lshChengduUniversityofInformationTechnology18EmbeddedProcessors第2章ARM体系结构成于大气信达天下Copyright@2015lshChengduUniversityofInformationTechnology19Wh