ARM体系结构与编程

DSP56300等几个不同系列的处理器。
PHILIPS公司也推出了基于可重置嵌入式DSP结构低成本、低功耗技术上制造的DSP
处理器，特点是具备双Harvard结构和双乘/累加器单元，应用目标是大批量消费类电
ARM的命名hitecture的版本命名规则； 基于ARM Architecture版本的处理器系列命名规则。
举个例子，s3c2410采用ARMv4T架构版本，ARM920T处理器系列，其中处理器核 为ARM9TDMI。
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基于ARM Architecture的版本命名
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什么是ARM
ARM是一个公司的名字 ARM代表一项技术，即Advanced RISC Machine ARM是一个内核，而不是我们看到的具体的芯片
ARM发展的历程
第一片ARM处理器是1983年10月到1985年4月间 在位于英国剑桥的Acorn Computer公司开发
1990年，为广泛推广ARM技术而成立了独立的公司 ꝴAdvance RISC Machine(ARM) 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
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器系列命名
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 -- cache ·T -- 支持Thumb指令集 ·D -- 支持片上调试 ·M -- 支持快速乘法器 ·I -- 支持Embedded ICE，支持嵌入式跟踪调试 ·E -- 支持增强型DSP指令 ·J -- 支持Jazelle ·F -- 具备向量浮点单元VFP ·-S -- 可综合版本
注：ARM指令集属于RISC指令集，但与单纯的RISC有以下几方面不同
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基于ARM的嵌入式系统概述
ARM指令集属于RISC指令集，但与单纯的RISC有以下几方面不同：
a：大部分ARM指令是单周期完成的，但也有不是的，如多寄存器的load-store指
令的执行周期是不确定的，具体由被传送的寄存器个数决定。
少，从而减少功耗和成本。
和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，
从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主
流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称微控制器。
嵌入式微控制器
嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较有代表性的通用系列包括8051、 P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。 另外还有许多半通用系列如：支持USB接口的MCU 8XC930/931、C540、C541；支 持I2C、CAN-Bus、LCD及众多专用MCU和兼容系列。目前MCU占嵌入式系统约70
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ARM分类
基于指令集体系结构（构架ISA）的分类
ARM V1 体系是最初版本，只有26位的寻址空间，没有乘法指令， 最终没有商业化
ARM V2 体系与V1体系同为26位寻址空间，具有乘法和加法指令， 支持协处理器
ARM V3 体系的寻址范围扩展到32位，具有乘法和加法指令，支 持协处理器
嵌入式微处理器
目前主要的嵌入式处理器类型有Am186/88、386EX、SC-400、 PowerPC、68000、MIPS、ARM/StrongARM系列等
嵌入式微控制器
嵌入式微控制器又称单片机，顾名思义，就是将整个计算机系统集成到
一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部
V4 V4T V5TE V5TE V6
ARM体系的变种
1）Thumb指令集（T变种） Thumb指令集是把32位的ARM指令集的一个子集重新编码后而 形成的一个特殊的16位的指令集
2）长乘指令（M变种） 长乘指令是一种生成64位相乘结果的乘法指令（此指令为ARM指令）， M变种增加了两条长乘指令
集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、
I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各种必
要功能和外设。为适应不同的应用需求，一般一个系列的单片机具有多种衍
生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的
配置及封装。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，功能不多不
Strong ARM，ARM8，ARM810 ARM9TDMI，ARM920T，ARM940T ARM9E-S ARM10TDMI，ARM1020E ARM11，ARM1156T2-S，ARM1156T2F-S，ARM1176JZ-S， ARM11JZF-S
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体系结构 V1 V2 V2a V3 V3 V4T
嵌入式DSP处理器
有代表性的产品是Texas Instruments的 TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。
TMS320系列处理器包括用于控制的C2000系列，移动通信的C5000系列，以及性能更
高的C6000和C8000系列。
Motorola公司的DSP56000已经发展成为DSP56000，DSP56100, DSP56200和
ARM V4 体系增加了半字存储操作，对调试的支持以及支持嵌入 的ICE
ARM V5 体系增加了DSP指令支持和对Java指令的支持 ARM V6 体系增加了媒体指令，ARMv6指令集合中加入了超过60
条SIMD单指令多数据指令 ARM V7 体系定义了三种独立的内核型－－A(应用领域)，
R(实时领域)，M(控制领域)
ARM体系结构与编程
内容
ARM概述和分类 ARM体系结构和存储系统 ARM指令集和汇编程序设计 ARM中断和异常处理
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第一章 ARM概述和分类
内容
ARM简介 ARM的分类 ARM的命名规则 基于ARM的嵌入式系统概述
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ARM介绍
什么是ARM？
其实，人人都用ARM！
规则： | ARMv | n | variants | x（variants） | 分成四个组成部分： ·ARMv -- 固定字符，即ARM Version ·n -- 指令集版本号。迄今为之，ARM架构版本发布了7个系列，所以n=[1:7]。其中最
新的版本是第7版 ·variants -- 变种。 ·x（variants） -- 排除x后指定的变种 常见的变种有： ·T -- Thumb指令集 ·M -- 长乘法指令 ·E -- 增强型DSP指令 ·J -- Java加速器Jazelle ·SIMD -- ARM媒体功能扩展 例如，ARMv5TxM表示ARM指令集版本为5，支持T变种，不支持M变种
b：内嵌桶型移位寄存器
c：Thumb 16位指令集
d：条件执行
e：增强指令，如添加了强大的数字信号处理器(DSP)指令，以支持16×16位乘法
操作及饱和操作
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基于ARM的嵌入式系统概述
(2) 高速缓存（cache）
1、为什么采用高速缓存
微处理器的时钟频率比内存速度提高快得多，高速缓存可以提高内存的平均性能。
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嵌入式微处理器
嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。在应用中，将微 处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关 的母板功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。为满嵌入 式应用 的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处 理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方 面都做了各种增强。
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ARM Partnership Model
ARM的应用
％的市场份额。
嵌入式DSP处理器
DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法， 编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、FFT、谱分析等方面DSP 算法正在大量进入嵌入式领域，DSP应用正从在通用单片机中以普通指令实现 DSP功能，过渡到采用嵌入式DSP处理器。
嵌入式DSP处理器有两个发展来源，一是DSP处理器经过单片化、EMC改造、 增加片上外设成为嵌入式DSP处理器，TI的TMS320C2000 /C5000等属于此范 畴；二是在通用单片机或SOC中增加DSP协处理器，例如Intel的MCS-296和 Infineon(Siemens)的TriCore。
3）增强型DSP指令（E变种） E变种的ARM体系增加了一些增强处理器对典型的DSP算法 处理能力的附加指令。
4）Java加速器Jazelle（J变种） ARM的Jazelle技术是Java语言和先进的32位RISC芯片完美结合的产物 。
5）ARM媒体功能扩展（SIMD变种）
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推动嵌入式DSP处理器发展的另一个因素是嵌入式系统的智能化，例如各 种带有智能逻辑的消费类产品，生物信息识别终端，带有加解密算法的键盘， ADSL 接入、实时语音压解系统，虚拟现实显示等。这类智能化算法一般都是 运算量较大，特别是向量运算、指针线性寻址等较多，而这些正是DSP 处理器 的长处所在。
2、高速缓存的工作原理
高速缓存是一种小型、快速的存储器，它保存部分主存内容的拷贝。
CPU
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高 数据
速 缓
CACHE
存
控
制
地址
器
数据
主存
基于ARM的嵌入式系统概述
(3)嵌入式处理器分类
微处理器(Micro Processor Unit, MPU) 微控制器(Micro Controller Unit, MCU) 嵌入式DSP (Digital Signal Processor, DSP) 片上系统(System On Chip)
要多个周期
c：寄存器，RISC拥有更多寄存器，都可以存放数据或地址，而
CISC都是用于特定目的的专用寄存器
d：load-store结构，即处理器只处理寄存器中的数据，独立的
load-store指令完成数据在寄存器和外部存储器之间的传送，即数据处理与存
储器访问分开，而CISC能够直接处理存取器中的数据
ARM 公司不生产芯片 IP(Intelligence Property) 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 20世纪90年代， ARM快速进入世界市场 。
ARM Offices Worldwide
England Cambridge, Maidenhead, Sheffield, Blackburn Germany Munich France Paris, Sophia Antipolis Korea Seoul
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ARM系列处理器
基于处理器内核的分类 ARM7 系列 ARM9 系列 ARM9E 系列 ARM10E 系列 SecurCore 系列 StrongARM/Xscale （Intel） ARM11
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ARM命名举例
核 ARM1 ARM2 ARM2aS，ARM3 ARM6，ARM600，ARM610 ARM7，ARM700，ARM710 ARM7TDMI，ARM710T，ARM720T ARM740T
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基于ARM的嵌入式系统概述
(1) RISC设计思想
与CISC相比，有以下几个方面不同：
a：设计重点不同，RISC重点在于通过软件的灵活降低硬件执行指
令的复杂度，即使得编译器更高的复杂性
b：指令集，RISC减少了指令种类，操作也简单，基本是一个周期
执行一条指令，每一条指令长度是固定，而CISC指令长度不固定，执行也需