第3章 ARM处理器构架

ARM体系结构概述
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ARM，英文全称为Advanced RISC Machines。 ARM首先是一个公司的名称 。 其次，ARM是对一类微处理器的通称。 宽泛地说，ARM是一种技术的名字，即采用ARM 处理器的控制技术。
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ARM处理器系列
• ARM 微处理器目前种类非常丰富。 • 不同的ARM系列具有不同的用途，每一个系列的 ARM 微处理器都有各自的特点和应用领域。 • 下面分别进行介绍。
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ARM7微处理器
• ARM7系列内核包括多个分支：ARM7TDMI、 ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ 。 • ARM7TMDI是目前使用最广泛的32位嵌入式RISC处 理器内核，属低端ARM处理器核。 • 其中，TDMI的基本含义为：
21天学嵌入式开发
第三讲：ARM处理器构架
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ARM体系结构概述 ARM处理器系列 ARM处理器结构 ARM编程模型 ARM开发调试工具综述
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• Cortex-M3处理器支持两种工作模式:
– 线程模式 – 处理模式
• Cortex-M3处理器有两种工作状态：
– Thumb状态 – 调试状态
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特权访问和用户访问
• Cortex-M3处理器代码可以是特权执行或非特权执行 。 • 线程模式在复位之后为特权访问 。 • 这里需要注意的是，处理模式始终是特权访问的。
– – – – T：支持16为压缩指令集Thumb。 D：支持片上Debug。 M：内嵌硬件乘法器（Multiplier）。 I：嵌入式ICE，支持片上断点和调试点。
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ARM9微处理器
• ARM9内核为32位RISC处理器，采用哈佛结构 。 • ARM9内核微处理器具有以下特点：
– 可集成用户自己的安全特性和其他协处理器。
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StrongARM微处理器
• Intel StrongARM SA-1100 以及Intel StrongARM SA-1110 处理器是采用ARM 体系结构。 • 融合了Intel 公司的设计和处理技术以及ARM 体系结 构的电源效率，采用在软件上兼容ARMv4体系结构 、同时采用具有Intel 技术优点的体系结构。 • Intel StrongARM处理器是便携式通讯产品和消费类 电子产品的理想选择。
– – – – – – – – 5级整数流水线，指令执行效率更高。 采用哈佛结构。 提供1.1MIPS/MHz的运行速率。 支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。 支持32位的高速AMBA总线接口。 内含全性能的MMU。 内含MPU，支持实时操作系统。 支持数据Cache和指令Cache。
• • 体积小、低功耗、低成本、高性能。 支持 Thumb(16 位)/ARM(32 位)双指令集，能很好的兼容 8/16 位器件。 大量使用寄存器，指令执行速度更快。 ARM处理器共有37个寄存器，分为若干个组（BANK）。 大多数数据操作都在寄存器中完成。 ARM处理器有7种不同的处理器模式 寻址方式灵活简单，执行效率高。 指令长度固定。
– 为了进行快速浮点运算，增加了向量浮点单元。
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SecurCore微处理器
• SecurCore 系列微处理器专为安全需要而设计 。 • SecurCore 系列微处理器在系统安全方面具有如下 的特点：
– 带有灵活的保护单元，确保操作系统和应用数据的安全。 – 采用软内核技术，防止外部对其进行扫描探测。
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ARM9E微处理器
• ARM9E 系列微处理器为可综合处理器 。 • ARM9E 系列微处理器的主要特点如下：
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支持 DSP 指令集，适合需要高速数字信号处理的场合。 5 级整数流水线，指令执行效率更高。 支持32 位ARM 指令集和16 位Thumb 指令集。 支持32 位的高速AMBA 总线接口。 支持VFP9 浮点处理协处理器。 内含全性能 MMU。 内含MPU，支持实时操作系统。 支持数据 Cache 和指令Cache。 主频最高可达300MIPS。
CISC的体系结构
• CISC，英文全称为Complex Instruction Set Computer，即复杂指令集计算机。 • 在CISC指令集中，各种指令使用频率相差悬殊 。 • 显然，CISC结构虽然指令全面功能强大，但是结构 不合理，造成程序代码体积庞大，不适合于嵌入式 系统。
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ARM11微处理器
• ARM1136J-S是第一个执行ARMv6架构指令的处理 器。 • ARM1136J-S的主要特点如下：
– 集成了一条具有独立的load-sotore和算术流水线的8级流 水线。 – ARMv6指令包含了针对媒体处理的单指令流多数据流（ SIMD）扩展。 – 采用特殊的设计，以改善视频处理性能。
ARM存储器结构
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ARM编程模型
• • • • 工作模式和工作状态 特权访问和用户访问 数据类型 存储器格式
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工作模式和工作状态
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ARM微处理器的应用领域
• • • • • • 工业控制领域 无线通讯领域 网络应用 智能手机 消费类电子产品 成像和安全产品
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ARM体系结构的特点
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ARM10E微处理器
• • ARM10E内核为32位RISC处理器，采用了新的体系结构。 ARM10E系列微处理器的主要特点如下：
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支持DSP指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合。 6级整数流水线，指令执行效率更高。 支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。 支持32位的高速AMBA总线接口。 支持VFP10浮点处理协处理器。 采用了两种先进的节能方式，使其功耗极低。 全性能的MMU。 支持数据Cache和指令Cache。 主频最高可达400MIPS。 内嵌并行读/写操作部件。
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ARM开发调试工具综述
• ARM的开发调试工具主要包括两方面：
– 硬件 – 软件
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RISC的体系结构
• • RISC的英文全称为Reduced Instruction Set Computer，即精 简指令集计算机。 RISC体系结构应具有如下特点：
– 采用固定长度的指令格式； – 使用单周期指令，便于流水线操作执行； – 大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作，只有加载/ 存储指令可以访问存储器，以提高指令的执行效率。 – 采用一些特别的技术降低功耗。 – 所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行； – 可用加载/存储指令批量传输数据，以提高数据的传输效率； – 可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理； – 在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率。
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ARM7微处理器
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ARM7内核为低功耗的32位RISC处理器，其采用冯诺依曼体 系结构。 ARM7微处理器系列具有如下特点：
– – – – – – 具有嵌入式ICE－RT逻辑，无论调试还是开发都很方便。 极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式产品。 能够提供0.9MIPS/MHz的三级流水线结构。 代码密度高并兼容16位的Thumb指令集。 支持Windows CE、Linux、Palm OS等嵌入式操作系统。 指令系统与ARM9系列、ARM9E系列和ARM10E系列兼容，便 于用户程序的升级和产品的更新换代。 – 主频最高可达130MIPS。
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ARM流水线结构
• ARM Cortex-M3采用适合于微控制器应用的三级流 水线。 • 理解指令预取和流水线技术。 • 增加了分支预测功能。
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数据类型
• Cortex-M3处理器支持以下数据类型：
– 32 位字 – 16 位半字 – 8 位字节
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存储器格式
• Cortex-M3 处理器将存储器看作从0 开始向上编号的 字节的线性集合。 • 小端格式 • 大端格式
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Cortex-M3微处理器
• • Cortex-M3微处理器采用ARMv7-M 架构 。 Cortex-M3系列微处理器的主要特点如下：
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Thumb-2 指令集架构（ISA）的子集。 哈佛处理器架构，在加载/存储数据的同时能够执行指令取指。 三级流水线。 32 位单周期乘法。 具备硬件除法。 Thumb 状态和调试状态。 处理模式和线程模式。 ISR 的低延迟进入和退出。 可中断-可继续的LDM/STM，PUSH/POP。 ARMv6类型BE8/LE支持。 ARMv6 非对齐访问。
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基于ARM核的芯片选择
• • • • • 内核的选择 根据嵌入式系统选择 工作频率的选择 片内存储器的选择 片内资源的选择
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ARM处理器结构
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Xscale微处理器
• Xscale是基于ARMv5TE 体系结构的解决方案 。 • 一款全性能、高性价比、低功耗的32 位处理器。 • 它支持16 位的Thumb指令和DSP 指令集。 • Xscale处理器是Intel 目前主要推广的一款ARM微处 理器。
• ARM Cortex-M3内核主系统由四个驱动单元：
– – – – 内核ICode总线(I-bus) DCode总线(D-bus) 系统总线(S-bus) GP-DMA(通用DMA)
• Cortex-M3还包括了如下三个被动单元：
– 内部SRAM。 – 内部闪存存储器。 – AHB到APB的桥(AHB2APBx)