ch2_ARM7体系结构-精品文档
合集下载
ARM7体系结构
各ARM体系结构版本——V5
在V4版本的基础上，对现在指令的定义进行了必要的 修正，对V4版本的体系结构进行了扩展并增加了指令，具 体如下： 改进了ARM/Thumb状态之间的切换效率； 允许非T变量和T变量一样，使用相同代码生成技术； 增加计数前导零指令和软件断点指令； 对乘法指令如何设置标志作了严格的定义。
3.2 ARM7TDMI
简介
ARM7TDMI基于ARM体系结构V4版本，是目前低 端的ARM核。具有广泛的应用，其最显著的应用为 数字移动电话。
3.2 ARM7TDMI
简介
ARM7TDMI支持32位寻址范围，并弥补了ARM6 不能在低于5V电源电压下工作的不足。ARM7TDMI的 后缀意义为： ARM7 T D M I - S
乘法器 桶形移位器 写数据寄存器 32位ALU 指令管线读数据寄存器 Thumb指令译码器
该系列包括ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、带有高 速缓存处理器宏单元的ARM720T和扩充了Jazelle 的ARM7EJ-S。该系列处理器提供Thumb 16位压缩 指令集和EmbededICE软件调试方式，适用于更大规 模的SoC设计中。 ARM7系列广泛应用于多媒体和嵌入式设备，包 括Internet设备、网络和调制解调器设备，以及移 动电话、PDA等无线设备。
ADDR[31:0] 扫描调试 控制 指令译码 和 控制逻辑 CLK CLEN CFGBIGEND nIRQ nFIQ nRESET ABORT LOCK WRITE
地址寄存器
地址增加器
寄存器组 31*32位寄存器 （6个状态寄存器）
SIZE[1:0] PROT[1:0] TRANS[1:0]
DBG输出 DBG输入 CP控制 CP握手
第2章 ARM7体系结构PPT课件
支持64位乘法；
支持片上调试；
28.07.2020
支持高密度16位的Thumb指令集；
华中科技大学计算机学院
7
2.2 ARM7TDMI
三级流水线
ARM7TDMI处理器使用流水线来增加处理器指 令流的速度。这样可使几个操作同时进行，并使处 理和存储器系统连续操作，能提供0.9MIPS/MHz的 指令执行速度。
PC
PC
PC-4
PC-2
PC-8
PC-4
流水线工位 取指 译码
执行
描述
指令从存储器中取出 对指令使用的寄存器进行译码 从寄存器组中读出寄存器，执行移位 和ALU操作，寄存器被写回到寄存器 组中
28.07.2020
华中科技大学计算机学院
9
2.2 ARM7TDMI
存储器访问
ARM7TDMI处理器使用了冯·诺依曼（Von Neumann）结构，指令和数据共用一条32位总线。 只有装载、存储和交换指令可以对存储器中的数据 进行访问。
15.协处理器接口
7.内部寄存器
16.调试接口简介
8. 程序状态寄存器
17.ETM接口简介
28.07.2020
华中科技大学计算机学院
4
2.1 ARM简介
ARM公司简介
ARM是Advanced RISC Machines的缩写，它是 一家微处理器行业的知名企业，该企业设计了大量 高性能、廉价、耗能低的RISC （精简指令集）处 理器。
ARM7TDMI的流水线分3级，分别为： 取指译码执行
28.07.2020
华中科技大学计算机学院
8
2.2 ARM7TDMI
三级流水线
正常操作过程中，在执行一条指令的同时对下 一条指令进行译码，并将第三条指令从存储器中取 出。这三条指令之间的位置关系如下表所示：
ARM7体系结构
18
3.1 ARM简介
ARM处理器核简介——Xscale
Intel Xscale微控制器则提供全性能、高性价比、 低功耗的解决方案，支持16位Thumb指令并集成数 字信号处理（DSP）指令。
19
第3章 目录
1.简介 2.ARM7TDMI 3.ARM7TDMI的模块和 内部框图 4.体系结构直接支持的 数据类型 5.处理器状态 6.处理器模式 7.内部寄存器 8. 程序状态寄存器 9.异常 10.中断延迟 11.复位 12.存储器及存储器映射 I/O 13.寻址方式简介 14.ARM7指令简介 15.协处理器接口 16.调试接口简介 17.ETM接口简介
4
3.1 ARM简介
ARM公司简介
将技术授权给 其它芯片厂商
...
形成各具特色 的ARM芯片
5
3.1 ARM简介
ARM体系结构
ARM处理器为RISC芯片，其简单的结构使 ARM内核非常小，这使得器件的功耗也非常低。 它具有经典RISC的特点： 大的、统一的寄存器文件； 装载/保存结构，数据处理 操作只针对寄存器的 内容，而不直接对存储器进行操作； 简单的寻址模式;
该系列包括ARM1020E和ARM1020E处理器核， 其核心在于使用向量浮点（VFP）单元VFP10提供 高性能的浮点解决方案，从而极大提高了处理器的 整型和浮点运算性能。 可以用于视频游戏机和高性能打印机等场合。
17
3.1 ARM简介
ARM处理器核简介——SecurCore
该系列涵盖了SC100、SC110、SC200和SC210 处理核。该系列处理器主要针对新兴的安全市场， 以一种全新的安全处理器设计为智能卡和其它安全 IC开发提供独特的32位系统设计，并具有特定反伪 造方法，从而有助于防止对硬件和软件的盗版。
ARM7体系结构概述
指令长度：统一长度的指令域，简化指令译码。
周立功单片机
2.1 ARM简介
• ARM体系结构
ARM体系结构的特点，使其非常适用于嵌 入式系统：
低功耗：对于电池供电的设备，功耗无疑是重点； 高代码密度：小的代码量可以减小存储成本； 小面积：芯片内可以集成更多的外设，使系统硬件 更紧凑简洁； 方便的硬件调试技术：降低开发难度和成本。
2.7 内部寄存器
• R14寄存器与异常发生
异常发生时，程序要跳转至异常服务程序，对 返回地址的处理与子程序调用类似，都是由硬件完 成的。区别在于有些异常有一个小常量的偏移。
周立功单片机
程序计数器R15（PC）
寄存器R15为程序计数器（PC），它指 向正在取指的地址。可以认为它是一个通用 寄存器，但是对于它的使用有许多与指令相 关的限制或特殊情况。如果R15使用的方式 超出了这些限制，那么结果将是不可预测的。
周立功单片机
2.2 ARM7TDMI
• 三级流水线
正在执行的指令
正在译码的指令 正在预取的指令
LDR STR SUB . . . ADD R1,R1,#1 R0,AddInstr R0,NextInstr R1,R1,#1
内 核 流 水 线
(1) (2) (3) (4)
源 程 序
周立功单片机
第2章 目录
周立功单片机
第2章 目录
1.简介 2.ARM7TDMI 3.ARM7TDMI的模块和 内部框图 4.体系结构直接支持的 数据类型 5.处理器状态 6.处理器模式 7.内部寄存器 8. 程序状态寄存器 9.异常 10.中断延迟 11.复位 12.存储器及存储器映射 I/O
周立功单片机
第3章 ARM7体系结构(1-8)
第3章ARM7体系结构❑1.简介❑2.ARM7TDMI❑3.ARM7TDMI的模块和内部框图❑4.体系结构直接支持的数据类型❑5.处理器状态❑6.处理器模式❑7.内部寄存器❑8. 程序状态寄存器❑9.异常❑10.中断延迟❑11.复位❑12.存储器及存储器映射I/O❑13.寻址方式简介❑14.ARM7指令简介❑15.协处理器接口❑16.调试接口简介❑17.ETM接口简介❑1.简介❑2.ARM7TDMI❑3.ARM7TDMI的模块和内部框图❑4.体系结构直接支持的数据类型❑5.处理器状态❑6.处理器模式❑7.内部寄存器❑8. 程序状态寄存器❑9.异常❑10.中断延迟❑11.复位❑12.存储器及存储器映射I/O❑13.寻址方式简介❑14.ARM7指令简介❑15.协处理器接口❑16.调试接口简介❑17.ETM接口简介3.1 ARM简介•ARM公司简介ARM是A dvanced R ISC M achines的缩写，它是一家微处理器行业的知名企业，该企业设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC （精简指令集）处理器。
公司的特点是只设计芯片，而不生产。
它将技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和OEM厂商，并提供服务。
3.1 ARM简介•ARM公司简介将技术授权给其它芯片厂商形成各具特色的ARM芯片. . .3.1 ARM简介•ARM体系结构ARM处理器为RISC芯片，其简单的结构使ARM内核非常小，这使得器件的功耗也非常低。
它具有经典RISC的特点：▪大的、统一的寄存器文件；▪装载/保存结构，数据处理操作只针对寄存器的内容，而不直接对存储器进行操作；▪简单的寻址模式;▪统一和固定长度的指令域，简化了指令的译码。
3.1 ARM简介•ARM体系结构ARM体系结构的特点：▪每条数据处理指令都对算术逻辑单元和移位器控制，以实现ALU和移位器的最大利用；▪地址自动增加和减少寻址模式，优化程序循环；▪多寄存器装载和存储指令实现最大数据吞吐量;▪所有指令的条件执行实现最快速的代码执行。
第2章-1 ARM7处理器结构
2.1.3 ARM7TDMI功能信号图
ARM7TDMI
07:21
ARM7TDMI处理器的功能信号
26
时钟和定时
MCLK 全局主时钟，所有存储访问和处理器操作
的主时钟。速度可控制分别访问不同速度的外设和 存储器。
nWAIT 为低电平时处理器将其访问时间延长几个
时钟周期，用于访问低速外设，不用时接高电平。
内核 流水线 典型频率（MHz） 总线架构 ARM7 3 80 冯诺伊曼 ARM9 5 150 哈佛 ARM10 6 260 哈佛 ARM11 8 335 哈佛
07:21
17
2.1.2 ARM7TDMI
3 存储器访问
ARM7TDMI处理器使用了冯· 诺依曼（Von Neumann）结构，指令和数据共用一条32位总线。 只有装载、存储和交换指令可以对存储器中的数据 进行访问。 ARM处理器支持下列数据类型： 字节 8位 半字 16位（必须分配为占用两个字节） 字 32位（必须分配为占用4各字节）
ARM公司简介
ARM是Advanced RISC Machines的缩写，它是一家微处 理器行业的知名企业，该企业设 计了大量高性能、廉价、耗能低 的RISC （精简指令集）处理器。
公司的特点是只 设计芯片，而不生产。它将技术 授权给世界上许多著名的半导体、 软件和OEM厂商，并提供服务。
07:21 6
2.1 ARM微处理器结构
2.1.1 简介 2.1.2 ARM7TDMI特点 2.1.3 ARM7TDMI的模 块和内部框图
07:21
10
2.1.2 ARM7TDMI
ARM7TDMI
ARM7TDMI基于ARM体系结构V4版本，是目 前较低端的ARM核。但仍具有广泛的应用，其最 显著的应用为数字移动电话。
ARM7体系结构
ARM9E系列主要应用于下一代无线设备、数字消 费品、成像设备、工业控制、存储设备和网络设备等 领域。
2.1 ARM简介
ARM10E系列简介
该系列包括ARM1020E和ARM1020E处理器核， 其核心在于使用向量浮点（VFP）单元VFP10提供高性 能的浮点解决方案，从而极大提高了处理器的整型和 浮点运算性能。 可以用于视频游戏机和高性能打印机等场合。
ARM7体系结构
1.ARM简介 2.ARM7TDMI 3.ARM的模块、内 核和功能框图 4.ARM处理器状态 5.ARM处理器模式 6.ARM内部寄存器 7.当前程序状态寄存 器 8.ARM体系的异常、 中断及其向量表 9.ARM体系的存储 系统
2.1 ARM简介
2.1 ARM简介
ARM9系列简介
该系列包括ARM9TDMI、ARM920T和带有高速 缓存处理器宏单元的ARM940T。除了兼容ARM7系列， 而且能够更加灵活的设计。 ARM9系列主要应用于引擎管理、仪器仪表、安 全系统和机顶盒等领域。
2.1 ARM简介
ARM9E系列简介
该系列为含有DSP指令集的综合处理器，包括 ARM926EJ-S、带有高速缓存处理器宏单元的 ARM966E-S/ARM946E-S。其内核在ARM7处理器内核 的基础上使用了Jazelle增强技术，该技术支持一种新 的Java操作状态，允许在硬件中执行Java字节码。
2.1 ARM简介
CortexTM-A8处理器简介
该处理器是ARM公司所开发的基于ARMv7架构的 首款应用级处理器，其特色是运用了可增加代码密度 和加强性能的技术、可支持多媒体以及信号处理能力 的NEONTM技术、以及能够支持Java和其他文字代码语 言的提前和即时编译的Jazelle@RTC技术。 众多先进的技术使其适用于家电以及电子行业等各 种高端的应用领域。
2.1 ARM简介
ARM10E系列简介
该系列包括ARM1020E和ARM1020E处理器核， 其核心在于使用向量浮点（VFP）单元VFP10提供高性 能的浮点解决方案，从而极大提高了处理器的整型和 浮点运算性能。 可以用于视频游戏机和高性能打印机等场合。
ARM7体系结构
1.ARM简介 2.ARM7TDMI 3.ARM的模块、内 核和功能框图 4.ARM处理器状态 5.ARM处理器模式 6.ARM内部寄存器 7.当前程序状态寄存 器 8.ARM体系的异常、 中断及其向量表 9.ARM体系的存储 系统
2.1 ARM简介
2.1 ARM简介
ARM9系列简介
该系列包括ARM9TDMI、ARM920T和带有高速 缓存处理器宏单元的ARM940T。除了兼容ARM7系列， 而且能够更加灵活的设计。 ARM9系列主要应用于引擎管理、仪器仪表、安 全系统和机顶盒等领域。
2.1 ARM简介
ARM9E系列简介
该系列为含有DSP指令集的综合处理器，包括 ARM926EJ-S、带有高速缓存处理器宏单元的 ARM966E-S/ARM946E-S。其内核在ARM7处理器内核 的基础上使用了Jazelle增强技术，该技术支持一种新 的Java操作状态，允许在硬件中执行Java字节码。
2.1 ARM简介
CortexTM-A8处理器简介
该处理器是ARM公司所开发的基于ARMv7架构的 首款应用级处理器，其特色是运用了可增加代码密度 和加强性能的技术、可支持多媒体以及信号处理能力 的NEONTM技术、以及能够支持Java和其他文字代码语 言的提前和即时编译的Jazelle@RTC技术。 众多先进的技术使其适用于家电以及电子行业等各 种高端的应用领域。
chapter_2_ARM7体系结构
使用地址自增和自减支的持寻Em址bed方edI式CE观优察化硬件程；序循环； 支持64位乘法；
装载/保存指令对数据支的持片批上量调试传；输，实现最大数据吞
吐量;
支持高密度16位的Thumb指令集；
大多数指令的条件执行，实现最快速的代码执行。
30.11.2020
h
page 9
3. ARM7处理器的三级流水线
30.11.2020
h
page 11
程序清单 2-1
1. 0x4000 ADD PC , PC , #4 ; 正在被执行的指令
2.
+4
；PC ← PC当前值
3. 0x4004 cmd2
; 正在被译码的指令；
4. 0x4008 cmd3
; 正在被取指的指令
5.
；PC ＝ 0x4008
6. 0x400C cmd4
第2章 ARM7体系结构
30.11.2020
h
page 1
第2章 目录
1. ARM7体系结构 2. ARM7的状态与模式 3. ARM7的寄存器 4. ARM7当前程序状态寄存器（CPSR） 5. ARM7的异常与异常处理 6. ARM7的存储系统
30.11.2020
h
page 2
第2章 目录
1. ARM7体系结构 2. ARM7的状态与模式 3. ARM7的寄存器 4. ARM7当前程序状态
30.11.2020
h
page 14
ARM处理器模式
ARM体系结构支持7种处理器模式，分别为： 用户模式、快中断模式、中断模式、管理模式、 中止模式、未定义模式和系统模式。这样的好处 是可以更好的支持操作系统并提高工作效率。
ch2_ARM7体系结构
ARM7 Xscale
ARM9 ARM9E ARM10E ARM11 Cortex
本课程主要介绍ARM7系列。
西安邮电学院
16
2019/12/2 8
ARM内核分类与系列
ARMv6
ARMv6 cores
ARMv4
ARMv5 ARM7TDMI
Xscale ARM1022E
ARM10
ARM926EJ
ARM9E
RISC：精简指令集（Reduced Instruction Set Computer) 在通道中只包含最有用的指令
确保数据通道快速执行每一条指令
使CPU硬件结构设计变得更为简单
8
西安邮电学院
2019/12/2 8
2.1 ARM简介——RISC结构特性
两种体系结构：CISC (Complex Instruction Set Computer), 即 “复杂指令系统计算机”PC机系列；
•OEM：定牌生产合作，俗称“贴牌”。这种委托他人生产的合作方式即 为OEM，承接这加工任务的制造商就被称为OEM厂商，其生产的产品就 是OEM产品。
3
西安邮电学院
2019/12/2 8
ARM的业务模型
ARM
ARM 创造和 设计IP
业务拓展 / 市场格局
IP
授权费 版权费
产品，例如：芯片
Partner
CortexTM-R4处理器简介
该处理器是首款基于ARMv7架构的高级嵌入式处理器，其主要目标 为产量巨大的高级嵌入式应用系统，如硬盘，喷墨式打印机，以及汽车 安全系统等等。
19
西安邮电学院
2019/12/2 8
2.1 ARM简介
CortexTM-R4F处理器简介
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
半字加载/存储指令；
字节和半字的加载和符号扩展指令； 具有可以转换到Thumb状态的指令； 用户模式寄存器的新的特权处理器模式。
14
西安邮电学院 2019/3/20
2.1 ARM简介
各ARM体系结构版本——V5 在V4版本的基础上，对现在指令的定义进行了必要
的修正，对V4版本的体系结构进行了扩展并增加了指令， 具体如下：
RISC：精简指令集（Reduced Instruction Set Computer)
在通道中只包含最有用的指令
确保数据通道快速执行每一条指令 使CPU硬件结构设计变得更为简单
8
西安邮电学院 2019/3/20
2.1 ARM简介——RISC结构特性
两种体系结构： CISC (Complex Instruction Set Computer), 即
2
西安邮电学院 2019/3/20
2.1 ARM简介
ARM公司简介
• ARM是Advanced RISC Machines的缩写，它是一家微处理器行业的知 名企业，该企业设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器。
•ARቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ公司的特点是只设计芯片，而不生产。它将技术授权给世界上许多
著名的半导体、软件和 OEM(Original Equipment Manufacturer, 原始 设备生产商)厂商，并提供服务。
快速中断模式中具有的两个以上的分组寄存器；
具有原子性加载/存储指令swp和swpb。
13
西安邮电学院 2019/3/20
2.1 ARM简介
各ARM体系结构版本——V4 不再为了与以前的版本兼容而支持 26位体系结构， 并明确了哪些指令会引起未定义指令异常发生，它相对 V3版本作了以下的改进：
商业化，其特点为：
基本的数据处理指令（不包括乘法）； 字节、字和半字加载/存储指令； 具有分支指令，包括在子程序调用中使用的分支和 链接指令；
在操作系统调用中使用的软件中断指令。
11
西安邮电学院 2019/3/20
2.1 ARM简介
各ARM体系结构版本——V2 同样为26位寻址空间，现在已经废弃不再使用，它
第2章
ARM7体系结构
1
西安邮电学院 2019/3/20
第2章 ARM7体系结构
1.ARM简介
2.ARM7TDMI
3.ARM的模块、内核和功能框图 4.ARM处理器状态 5.ARM处理器模式 6.ARM内部寄存器
7.当前程序状态寄存器
8.ARM体系的异常、中断及其向量表 9.ARM体系的存储系统
理，实现ALU和移位器的最大利用；
使用地址自增和自减的寻址方式优化程序循环； 装载/保存指令对数据的批量传输，数据吞吐量大;
多数指令可以条件执行，实现最快速的代码执行。
10
西安邮电学院 2019/3/20
2.1 ARM简介
各ARM体系结构版本——V1 该版本的ARM体系结构，只有26位的寻址空间，没有
改进了ARM/Thumb状态之间的切换效率；
允许非T变量和T变量一样，使用相同的代码生成技术； 增加计数前导零指令和软件断点指令； 对乘法指令如何设置标志作了严格的定义。
15
西安邮电学院 2019/3/20
2.1 ARM简介
常用ARM处理器系列 ARM公司开发了很多系列的ARM处理器核，目前最新的系
相对V1版本有以下改进： 具有乘法和乘加指令； 支持协处理器；
快速中断模式中的两个以上的分组寄存器；
具有原子性加载/存储指令 swp 和 swpb 。
12
西安邮电学院 2019/3/20
2.1 ARM简介
各ARM体系结构版本——V3 寻址范围扩展到32位（事实上也基本废弃），具有独
立的程序： 具有乘法和乘加指令； 支持协处理器；
“复杂指令系统计算机”PC机系列；
RISC (reduced instruction set computer) 是精简指令集计算机 的缩写，其目标是设计出在高时钟频率下单周期执行，简单而有效的指
令集。ARM内核采用RISC体系结构，因此具有RISC的结构特点： 具有大量的通用寄存器；
独特的装载/保存（load-store）结构； 简单的寻址模式；
•OEM：定牌生产合作，俗称“贴牌”。这种委托他人生产的合作方式即
为OEM ，承接这加工任务的制造商就被称为 OEM 厂商，其生产的产品就 是OEM产品。
3
西安邮电学院 2019/3/20
ARM的业务模型
业务拓展 / 市场格局
IP ARM
授权费
版权费 ARM 创造和 设计IP
产品，例如：芯片
Partner 单价
数据存储器 数据0 数据1 数据2
7
西安邮电学院 2019/3/20
中央处理器
两种指令系统：CISC和RISC
CISC：复杂指令集（Complex Instruction Set Computer）
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。
统一和固定长度的指令格式。
9
西安邮电学院 2019/3/20
2.1 ARM简介——体系结构
体系结构(architecture):包括一组部件以及部件之间的联系。规定处
理器的功能性行为，是处理器设计的规范 。
ARM体系结构还有以下特点： 每条数据处理指令可同时包含算术逻辑单元（ALU）的运算和移位处
存储器
指令寄存器 控制器
程序
指令0 指令1 指令2 指令3 指令4
输出 数据 数据0 数据1 数据2
6
西安邮电学院 2019/3/20
数据通道 输入 中央处理器
两种存储器结构： 哈佛体系结构，MCS51,MC68,Z8，ARM9等。
地址
程序存储器 指令0 指令1 指令2
指令寄存器 控制器
指令
地址 数据通道 输入 输出 数据
Partner把ARM IP 和其他 IP 集成进 产品
OEM Customer
OEM 用来自 ARM Partner的 芯片设计制造最 终用户产品
4
西安邮电学院 2019/3/20
2.1 ARM简介
ARM公司简介
将技术授权给其它芯片厂商 ...
形成各具特色的ARM芯片
5
两种存储器结构： 冯·诺依曼体系结构，也称普林斯顿结构，8086、ARM7等；