第3章ARM体系结构(1)
嵌入式系统教案(李震)
嵌入式系统教案(李震) -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN嵌入式系统教案(李震)嵌入式系统教案教材：《ARM9嵌入式系统设计—基于S3C2410与Linux（第二版）》，徐英慧，马忠梅，王磊，王琳编著，北京航空航天大学出版社课时分配：理论课32学时，实验课8学时，共40学时第1章嵌入式系统基础一、教学目的：介绍嵌入式系统的基本概念，包括嵌入式系统的概念、特点及应用，由本章了解嵌入式系统的基础知识，掌握嵌入式的发展方向。
学时分配：2学时二、教学重点：实时操作系统的多任务内核，实时操作系统的任务管理机制三、教学难点：理解和掌握嵌入式系统中任务间采用的共享数据结构和消息机制等两种通信方式，嵌入式系统的优先级继承，抢占式调度和非抢占式调度间的区别。
四、教学方法：课题讲授及嵌入式系统在精细农业中的应用实例演示五、教学过程设计：（2学时）一、嵌入式系统概念（一）嵌入式系统的定义（二）嵌入式系统的组成（三）嵌入式系统的特点（四）嵌入式系统的应用（五）实时系统二、嵌入式处理器（一）嵌入式处理器分类（二）微控制器的定义及特点（三）嵌入式微处理器的定义及特点，介绍主流的微处理器，包括ARM、MIPS、MC68K、PowerPC、X86微处理器等。
（四）DSP处理器的定义及特点（五）片上系统的定义及特点（六）典型的嵌入式处理器三、嵌入式操作系统（一）操作系统的概念和分类（二）实时操作系统（三）常见的嵌入式操作系统四、实时操作系统的内核（一）任务管理（二）任务间的通信和同步（三）存储器管理（四）定时器和中断管理五、嵌入式技术发展现状及趋势六、思考题1、什么是嵌入式系统它由哪几部分组成（作业）2、嵌入式系统有何特点？（作业）3、嵌入式处理器分为哪几类？4、ARM英文原意是什么它是一个怎样的公司其处理器有何特点5、什么事实时系统实时系统有何特点如何划分6、实时操作系统常用的任务调度算法有哪几种？第2章嵌入式系统开发过程一、教学目的：介绍嵌入式软件的开发过程和调试手段，使学生了解嵌入式软件与普通计算机软件在开发和调试上的区别。
同济大学 软件学院 嵌入式系统导论复习提纲
n 北桥芯片：主导作用，也称为主桥，负责与 CPU 的联系并控制内存、AGP、PCI 数据在北内部传输。确定 CPU 的类型、主板的系统总线频率，内存类型、容量 和性能，显卡插槽规格。
n 南桥芯片：负责外部设备的数据处理与传输，确定扩展槽的种类与数量、扩展接 口的类型和数量等。
4. ARM 处理器体系架构 ，简单了解之。（课件） 5. 了解 ARM7TDMI 处理器特点，工作模式等。
三个阶段：取指、译码、执行 三级流水 两种工作状态：ARM(32bit)，Thumb(16bit)
工作模式：
除了用户模式外其他全都是特权模式。特权模式可以访问硬件、寄存器等，并可以在模式 间切换，用户模式不可以。 后五种模式是异常模式，可由程序切入，也可由特定异常切入。每个模式有独立存储器。 用户模式和系统模式公用寄存器
p UEFI 优点
n 提供了一个连接操作系统载入程序与固件之间稳定的接口； n 为独立软件开发商和制造商提供了一个清晰的预启动编程环境； n 延长了传统硬件的使用寿命； n 启动速度快 p 不足之处
UEFI 在安全问题并没有作出改善
第四章：嵌入式系统硬件设计 1. 图示嵌入式系统体系结构。简单介绍每部分。
2. 优势 p 降低耗电量 p 减少体积 p 丰富系统功能 p 提高速度 p 节省成本
3. 构成 IP 是构成的基本单元
4. IP 核以及分类 IP 核具备比较复杂的功能，且经过验证。设计资料内不仅仅包含一些物理功能和
技术特性，更重要的是包含了设计者的创造性思维，具有很强的知识内涵。这些资料被 称为具有知识产权的内核（Intellectual Property Core），简称 IP 核。
复习3
ARM状态的寄存器_ARM状态通用寄存器
不分组寄存器R0~R7 :
R0~R7是不分组寄存器。这意味着在所有 处理器模式下，它们每一个都访问的是同 一个物理寄存器。它们是真正并且在每种 状态下都统一的通用寄存器。 必须注意对同一寄存器在不同模式下使用 时的数据保护。
ARM状态的寄存器_ARM状态通用寄存器
ARM寄存器组成概述 ARM状态下的寄存器组织 Thumb状态下的寄存器组织
ARM寄存器组成概述
ARM处理器总共有37个寄存器，这37个寄存 器按它在用户编程中的功能划分，可以分为以 下两类寄存器
31个通用寄存器 在这31个通用寄存器中包括了程序计数器 （PC）,这些寄存器都是32位的。 6个状态寄存器。
ARM状态的寄存器_ARM状态通用寄存器
通用寄存器（R0~R15）可分为3类：
不分组寄存器（The unbanked registers）： R0~R7； 分组寄存器（The banked registers）： R8~R14； 程序计数器：R15（PC）
程序计数器：R15（PC）
ARM状态下的寄存器组织
一．ARM状态的寄存器简介 二．ARM状态的通用寄存器 三．ARM程序状态寄存器
ARM程序状态寄存器
所有处理器模式下都可以访问当前的程 序状态寄存器CPSR。CPSR包含条件码 标志、中断禁止位、当前处理器模式以 及其它状态和控制信息。 在每种异常模式下都有一个对应的物理 寄存器——程序状态保存寄存器SPSR。 当异常出现时，SPSR用于保存CPSR的 状态，以便异常返回后恢复异常发生时 的工作状态。
中止 R0
未定义
普通中断
快速中断
R1
ARM体系结构详解精
ARM嵌入式系统第2章ARM体系结构ARM微处理器的编程模型♦ARM徴处理器的工作状态♦ARM体系结构的存储器格式♦ARM体系结构的指令长度及数据宽度♦ARM微处理器的处理器模式♦ARM体系结构的寄存器组织♦ARM微处理器的异常状态字、半字、字节字（Word）在ARM体系结构中，字的长度为32位半字（Half-Word）在ARM体系结构中，半字的长度为16位字节（Byg）在ARM体系结构中，字节的长度为8位。
ARM微处理器的工作状态（1）字对齐：四字节对齐半字对齐：两字节对齐两种状态:♦ARM状态：处理器执行32位的字对齐的令♦Thumb状态：处理器执行16位的、半字对齐的Thumb指令处理器工作状态的转变并不影响处理器的工作模式和相应寄存器中的内容。
I ARM微处理器的工作状态(2 )状态切换：BX {<cond>} <Rm><cond>指令的条件码。
忽略时无条件执行。
<Rm>子存器中为跳转的目标地址，当<Rm><存器的bit[O]为0时, 目标地址处的指令为ARM指令；当<Rm>^存器的bit[O]为1时，目标地址处的指令为Thumb 指令。
伪代码：if ConditionPassed(cond) thenT Flag=Rm[O]PC=Rm AND OxFFFFFFFEARM微处理器在复位或上电时处于ARM状态，发生异常时处于ARM状态。
右ARM体系结构的存储器格式(1)ARM体系结构所支持的最大寻址空间为4GB (2^字节)♦大端格式(Big Endian)字数据的高字节存储在低地址中，而字数据的低字节则存放在高地址中。
♦小端格式(Little Endian)低地址中存放的是字数据的低字节，高地址存放的是字数据的高字节。
字地址字地址右ARM 体系结构的存储器格式(2)(0H)=0123H (4H)=4567H (8H)=89ABHBig Endian(0H)=3210H (4H)=7654H (8H)=BA98HLittle Endian右ARM 体系结构的存储器格式(3)8 9 AB4 5 6 7 0123一 “A ・■ • rO= 0x11223344 I 11 I 22 33 ： 44 ILittle endian Big endianR2 =异FI*右 ARM 体系结构的指令长度及数据宽度♦指令长度：32位（在ARM 状态下） 16位（在Thumb 状态下）♦数据宽度： 字节（8位） 半字（16位） 字（32位）三种数据宽度对存储器及外部设备的访问。
arm体系结构的特点
arm体系结构的特点ARM体系结构是一种基于RISC（精简指令集电脑）的微型计算机体系结构，它以其高效性和低功耗的特点，成为现代移动设备、智能家居、嵌入式系统等领域的首选芯片。
ARM体系结构的特点如下：1. RISC（精简指令集电脑）体系结构：ARM体系结构以RISC体系结构为基础，相对于CISC（复杂指令集电脑）体系结构而言，指令集更加精简，每个指令执行时间更短。
这种短指令集的优点是更易于实现，并且需要更少的晶体管，从而降低了芯片成本和能源消耗。
2.可扩展型：ARM芯片的内存和外设都可以进行扩展，这使得ARM芯片非常灵活。
用户可以根据实际需求自由添加外围设备和扩展内存，以满足具体的应用要求。
3.处理速度快：ARM芯片通常是多核心的，每个核心都可以执行多个指令，具有各自的缓存，这使得ARM芯片的速度非常快。
在一些高效的应用场合，ARM芯片的速度甚至可以与桌面计算机的处理器相媲美。
4.低功耗：ARM体系结构的低功耗性质也是其的一大特点。
ARM芯片处理器消耗的能量非常少，由于嵌入式系统、移动设备等对能源的限制，ARM低功率处理器在这些设备中应用广泛。
5.易于编程：ARM处理器可以执行任何基本的计算机操作，比如移位、逻辑操作等，这使得编写程序变得简单易行。
在一些专门为ARM芯片设计的编程平台上，开发者很容易编写出高效率的代码。
6.架构标准一致：ARM芯片的设计标准化非常高，这使得基于ARM芯片设计的设备之间的兼容性极高。
如果您在设计设备时使用ARM芯片，您可以放心，您的设备可以与大多数其他ARM芯片的设备以及开发板互通。
7.多种寄存器存储器模式：不同于其他流行的体系结构，ARM体系结构支持多种寄存器存储器模式，从而可以有效地存储更多数据。
这是ARM芯片与其他芯片最显著的不同之处之一。
总之，ARM体系结构作为一种低功耗、高效、易于编程的微型计算机体系结构，成为多种领域的首选芯片。
随着技术的不断发展，ARM芯片的性能和价格都在不断提升，这将进一步拓展ARM芯片的应用范围。
第3章体系结构与指令系统
西南林学院计算机系 贺金平
2.6 ARM寄存器组成
2.6.1ARM寄存器组成概述 2.6.2ARM状态下的寄存器组织 2.6.3Thumb状态下的寄存器组织
西南林学院计算机系 贺金平
2.6.1 ARM寄存器组成概述
ARM处理器总共有37个寄存器，可以分为以下两 类寄存器 ： 1） 31个通用寄存器 ：
3.3 Thumb技术介绍
3.4 ARM处理器工作状态
3.5 ARM处理器工作模式
3.6 ARM寄存器组成
3.7 ARM异常中断
西南林学院计算机系 贺金平
本章的主要内容为：
3.8 ARM组织结构简介
3.9 ARM存储器接口及存储器层次
3.10 ARM协处理器
3.11 ARM片上总线AMBA
3.12 ARM核综述
西南林学院计算机系 贺金平
2.3.1 Thumb的技术概述
Thumb是ARM体系结构的扩展。它有从标准32位 ARM指令集抽出来的36条指令格式，可以重新编成 16位的操作码。这能带来很高的代码密度 ARM7TDMI是第一个支持Thumb的核，支持 Thumb的核仅仅是ARM体系结构的一种发展的扩展， 所以编译器既可以编译Thumb代码，又可以编译 ARM代码 支持Thumb的ARM体系结构的处理器状态可以方 便的切换、运行到Thumb状态，在该状态下指令集 是16位的Thumb指令集 。
西南林学院计算机系 贺金平
ARM体系结构的基本版本
ARM体系结构总结
核 ARM1 ARM2 ARM2aS，ARM3 ARM6，ARM600，ARM610 ARM7，ARM700，ARM710 ARM7TDMI，ARM710T，ARM720T ARM740T Strong ARM，ARM8，ARM810 ARM9TDMI，ARM920T，ARM940T 体系结构 V1 V2 V2a V3 V3 V4T V4 V4T
ARM嵌入式体系结构与接口技术
23
精品课件
ARM芯片厂商
2、PCB设计仿真阶段
需要在EDA仿真设计平台下，设计系统原理图及
PCB，并对PCB板上的信号完整性、EMI等进行
仿真，根据仿真结果来对PCB进行合理的布局布
线调整，完成PCB的设计
PCB图
ML67Q4051, ML67Q4060, ML67Q4061, ML696201, ML69Q6203
Samsung (ARM7/ARM9/Cortex-M3 Family)
S3C2410A, S3C2440A, S3C44B0X, S3C4510B,S5PC210
Sharp (ARM7/ARM9/Cortex-M3 Family)
LPC2294, LPC2364, LPC2366,, LPC2880, LPC2888, LPC3180
OKI (ARM7/ARM9/Cortex-M3 Family)
ML674000, ML674001, ML674002, ML674003, ML675001, ML675002, ML675003, ML67Q4050,
到终端用户手中
云计算的核心思想，是将大
量用网络连接的计算资源统
一管理和调度，构成一个计
算资源池向用户按需服务。
精品课件
12
1.2 嵌入式系统的组成
应用 软 件
嵌 入 式操 作 系 统
硬件 设 备
嵌入式处理器
外围 设 备
图1-1 嵌入式系统结构简图
精品课件
13
1.2 嵌入式系统的组成
ram课件第3章++arm7体系结构
• 3.3 ARM7TDMI的模块和内核框图
DBGRNG(0) DBGRNG(1) DBGEXT(0) DBGEXT(1) LOCK WRITE SIZE[1:0] PROT[1:0] TRANS[1:0] ADDR[31:0] CPU
EmbeddedICE-RT ºêµ¥Ôª
´ ¨è É Ã Á 2
3.1 ARM简介
• 各ARM体系结构版本
ARM体系结构从最初开发到现在有了巨大的 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5 种主要的ARM指令集体系结构版本，以版本号 V1～V5表示。
3.1 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。
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
WDATA[31:0]
RDATA[31:0]
ARM7TDMI模块
• 3.3 ARM7TDMI的模块和内核框图
DBGTCKEN CLK
DBGTMS DBGTDI
DBGnTRST
ʱÖÓ
CLKEN nIRQ
ͬ²½µÄ EmbededICE-RT ɨÃèµ÷ÊÔ·ÃÎʶ˿Ú
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
第三节ARM体系结构
一般的通用寄存器
寄存器类别 寄存器在汇编中的名称
用户
系统
R0(a1)
R1(a2)
R2(a3)其中R0～R7为
R3(a4)
未R分4(v1) 组的寄存器，也
通用寄存器 和程序计数
器
就R是5(v2) 说对于任何处理 R6(v3)
器R模7(v4) 式，这些寄存器 都对应于相同的32位 R8(v5)
管理 (svc) 操作系下统保访护问代码用户模系统式复位的和寄软件存中器断响就应比时进较入方此模式
中止 (abt) 未定义 (und)
用或于存支储便 可持器虚 保，以拟护而使内存且用和操这/ 作个在A系模RM统式7TD的访MI一问没有些一大用特 些处权 受任 控务 的 支软持件硬仿资件真协源处。理器的 未定义指令异常响应时进入此模式
各模式下实际访问的寄存器
用户
系统
管理
中止
未定义
RR00
在汇编语言中寄存
R1
器R0～R1３为保存数据
R2
或地址值的通用寄存器。
R3
它们是完全通用的寄存器， R4
不会被体系结构作为特殊
R5
用途，并且可用于任何使
R6
用通用寄存器的指令。
R7
R8
R9
R10
R11
R12
R13
RR1133__ssvc
R13_abt
SSPPSSRR__fifqiq
ARM状态各模式下可以访问的寄存器
寄存器类别 寄存器在汇编中的名称
通用寄存器和 程序计数器
状态寄存器
R0 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 R11 R12 R13(SP) R14(LR) R15(PC) CPSR SPSR
ARM体系结构
ARM体系结构
ARM作为一种微处理器体系结构，具有广泛应用范围、高性价比、低功耗等优势，在晶体管规模以及架构方面有着很大的节省，因而受到了越来越多应用者的青睐。
ARM体系结构包括处理器（Processor）、片外存储器（External Memory）、I/O接口（Input/Output Interface）、外围器件（Peripheral Devices）、软件支持（Software Support）等内容。
从处理器来说，ARM体系结构提供了一系列非常细分的机型，它们有不同的特性和操作速度，可以满足不同的性能需求，而且这些机型一般都有较高的可缩放性，所以在产品设计的过程中可以根据实际要求选择合适的特性和速度。
从片外存储器来说，ARM体系结构支持使用不同类型的存储器，比如SRAM、DRAM、Flash等，可以根据应用性能和耗电量的需求，来选择合适的存储器以满足不同应用场景的需求，而且存储器容量也比较可观，一般可以满足大部分应用场景的要求。
从I/O接口来说，ARM体系结构支持多种接口，如USB、I2C、SPI、UART等，通过这些接口可以与周边的外设进行连接，而这些接口的功耗和速度也比较低。
arm体系结构特点
arm体系结构特点
ARM 体系结构是一种广泛使用的 32 位微处理器体系结构，具有以下特点：
1. 简单的指令集：ARM 指令集是一种 RISC（精简指令集计算机）指令集，它具有固定长度的指令和简单的指令格式。
这种简单的指令集可以提高指令的执行速度和效率，同时也可以减少指令的解码时间。
2. 高效的流水线：ARM 体系结构采用了高效的流水线技术，可以在一个时钟周期内执行多条指令。
这种流水线技术可以提高指令的执行速度和效率，从而提高处理器的性能。
3. 低功耗设计：ARM 体系结构采用了低功耗设计，可以在不影响性能的情况下降低处理器的功耗。
这种低功耗设计对于移动设备和嵌入式系统非常重要，可以延长设备的电池寿命。
4. 可扩展性：ARM 体系结构具有很好的可扩展性，可以通过增加更多的寄存器和指令来扩展处理器的功能。
这种可扩展性可以满足不同应用的需求，例如多媒体处理、网络通信等。
5. 支持Thumb 指令集：ARM 体系结构还支持 Thumb 指令集，这是一种 16 位的指令集。
Thumb 指令集可以在不损失性能的情况下减少代码的大小，从而节省存储空间。
6. 强大的异常处理机制：ARM 体系结构具有强大的异常处理机制，可以处理各种硬件和软件异常。
这种异常处理机制可以提高系统的可靠性和稳定性。
总之，ARM 体系结构具有简单的指令集、高效的流水线、低功耗设计、可扩展性、支持Thumb 指令集和强大的异常处理机制等特点，这些特点使得 ARM 体系结构成为了移动设备和嵌入式系统领域的主流处理器体系结构。
简述arm体系结构分类(一)
简述arm体系结构分类(一)ARM体系结构分类1. ARMv6•简介： ARMv6是ARM体系结构的第六代版本。
它具有较低的功耗和成本，通常应用在低功耗设备中。
•特点： ARMv6体系结构采用了3阶流水线架构，拥有较低的指令集，并支持ARM和Thumb指令集。
•应用： ARMv6常用于便携式嵌入式设备，如智能手机、音乐播放器等。
2. ARMv7•简介： ARMv7是ARM体系结构的第七代版本。
它拥有强大的计算和浮点运算能力，通常应用在高性能嵌入式设备和移动设备中。
•特点： ARMv7体系结构具有多达13个流水级的流水线架构，支持Thumb-2指令集和NEON SIMD指令集，提供更高的性能和效率。
•应用： ARMv7广泛应用于智能手机、平板电脑、数字电视、游戏控制台等高性能嵌入式设备。
3. ARMv8•简介： ARMv8是ARM体系结构的第八代版本，也被称为ARM64或AArch64。
它是ARM架构的64位扩展，具有更大的内存寻址能力和更强的计算能力。
•特点： ARMv8体系结构采用了8阶流水线架构，支持ARM和Thumb指令集，并引入了AArch64指令集以支持64位应用程序。
•应用： ARMv8主要应用于高性能服务器、云计算、数据中心等场景，以及高端Android和iOS设备。
4. ARM Cortex-A系列•简介： ARM Cortex-A系列是面向高性能应用的ARM核心系列，拥有强大的处理能力和高级特性。
•特点： Cortex-A系列处理器采用了乱序执行架构，具有多核处理能力和大型高速缓存。
它们支持虚拟内存管理、大页表和多级缓存等高级特性。
•应用： Cortex-A系列广泛应用于高性能嵌入式系统、移动设备、智能电视以及网络设备等。
5. ARM Cortex-R系列•简介： ARM Cortex-R系列是面向实时应用的ARM核心系列，专注于高可靠性和可预测性。
•特点： Cortex-R系列处理器采用了内核锁定技术，确保可靠的实时响应。
ARM体系结构ARM简介
;从Arm形状(xíngzhuàn)切换到 Thumb形状(xíngzhuàn)
LDR R0,=Lable+1
BX
R0
;从Thumb形状(xíngzhuàn)切换到 ARM形状(xíngzhuàn)
LDR R0,=Lable
BX
R0
Lable
ADD
R0,R1,第R二十2一页，共43页。
跳转地址标号(偶数〕
尾执行也可进入ARM外形
BX Rm
第二十二页，共43页。
；从ARM外形(wài xínɡ)转变为 Thumb外形(wài xínɡ)
；从Thumb ARM外形(wài xínɡ) 转变为ARM外形(wài xínɡ)
勇于开始，才能找到成功的路
CODE32 LDR R0,=Label+1 BX R0
第九页，共43页。
ARM体系结构还采用一些特别的技术(jìshù)，在保证高功用的 前提下尽量添加芯片的面积，并降低功耗
一切的ARM指令都可以依据前面的执行结武断议能否被执行， 从而提高指令的执行效率
可用加载/存储指令批量传输数据，以提高数据的传输效率。 可在一条数据处置指令中同时完成逻辑处置和移位功用。 在循环处置中运用地址的自动增减来提高运转效率
ARM Thumb
PC
PC
Fetch
从存储器中读取指令(zhǐlìng)
PC - 4 PC-2
PC - 8
PC - 4
Decode
Execute
解码(jiěmǎ)指令
寄存器读〔从寄存器Bank〕 移位及ALU操作 寄存器写〔到寄存器Bank 〕
PC指向正被取指的指令(zhǐlìng)，而非正在执行的指令(zhǐlìng)
ARM体系结构
SIMD Instructions Multi-processing v6 Memory architecture Unaligned data support
Extensions: Thumb-2 (6T2) TrustZone® (6Z) Multicore (6K) Thumb only (6-M)
17
Embedded Processors
Chengdu University of Information Technology
18
Which architecture is your processor?
Chengdu University of Information Technology
---ARM V4
Chengdu University of Information Technology
7
•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
4. 如果3中描述的功能不存在，则在该功能标识符前加x
ARM处理器命名（Classic命名）
Chengdu University of Information Technology
15
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，
3 ARM技术概述
北京邮电大学 网络空间安全学院
一、ARM体系结构的技术特征及发展
ARM公司简介
ARM是微处理器行业的一家知名企业，设计了大量高性能、廉价、 耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。技术具有性能高、成本低和 能耗省的特点。适用于多种领域，比如嵌入控制、消费/教育类多媒体、 DSP和移动式应用等 ARM公司成立于1990年11月
1 E
2
3 W
4
5
6
7
8
9
SUB
LDR AND ORR
R3, R4, R1
R4, [R7] R6, R3, R1 R8, R3, R4
F
D
F
E
D F E D F
W
M E D E W W WEORR3, R1, R2
F
D
E
W
F – 取指（Fetch）D – 解码（Decode） E – 执行（Execute） I – 互锁（Interlock）M – 存储器（Memory ）W –写回（ Writeback）
Fetch Decode Execute Fetch Decode Execute Fetch
EOR
CMP
Decode
Fetch
RSB
该例中用6个时钟周期执行了6条指令 所有的操作都在寄存器中（单周期执行） 指令周期数 (CPI) = 1
北京邮电大学 网络空间安全学院
典型5级流水线
周期 操作 ADD R1, R1, R2 F D
北京邮电大学 网络空间安全学院
ARM芯片选择的一般原则 功能：考虑处理器本身能够支持的功能，如：usb、网络、串
口、液晶显示功能等 性能：从处理器的功耗、速度、稳定可靠性等方面考虑 价格：通常产品总是希望在完成功能要求的基础上，成本越低 越好 熟悉程度和开发资源：通常公司对产品的开发周期都有严 格的要求，选择一款自己熟悉的处理器可以大大降低开发风险。 在自己熟悉的处理器都无法满足功能的情况下，可以尽量选择 开发资源丰富的处理器 操作系统支持：在选择嵌入式处理器时，如果最终的程序需 要运行在操作系统上，那么还应该考虑处理器对操作系统的支 持 升级：尽量选择具有相同封装的不同性能等级的处理器；考虑 产品未 来可能增加的功能 供货稳定：尽量选择大厂家，比较通用的芯片
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小端格式中,字的低位放在低地址字节中,故存储器系统字节0 小端格式中,字的低位放在低地址字节中,故存储器系统字节0连 接到数据线7 接到数据线7～0. 3 ,处理器模式( 7种) 处理器模式( 种
2010-6-15 《嵌入式系统》 嵌入式系统》 12
3.2
用户 系统 快中断 中断 管理 中止 未定义
第3 章
ARM体系结构 ARM体系结构
3.1 ARM体系结构概述 体系结构概述 3.2 编程模型 基本寻址方式 3.3 ARM基本寻址 基本寻址 3.4 ARM指令集 指令集
2010-6-15
《嵌入式系统》
1
3.1
ARM体系结构概述 ARM体系结构概述
1, ARM体系结构的特点 , 体系结构的特点 什么是ARM ? 什么是 ARM(Advanced RISC Machines):技术名称;企业名称. :技术名称;企业名称.
支持高速数据传输及通道处理 FIQ异常响应时进入此模式 系统模式是特权模式,不受用户模式的限制. 系统模式是特权模式,不受用户模式的限制.
(fiq) (irq) (svc)
操作系统在该模式下访问用户模式的寄存器就比 用于通用中断处理 IRQ异常响应时进入此模式
操作系统保护代码
较方便, 较方便,而且操作系统的一些特权任务可以使用 系统复位和软件中断响应时进入此模 这个模式访问一些受控的资源. 这个模式访问一些受控的资源.
2010-6-15
《嵌入式系统》 嵌入式系统》
8
3.1
ARM体系结构概述 ARM体系结构概述
3, ARM处理器内核 , 处理器内核
4, ARM处理器核 , 处理器核 在内核的基础上,增加 在内核的基础上,增加Cache,存储器管理单元 ,存储器管理单元MMU,协处理器 , CP,AMBA接口等构成 , 接口等构成ARM处理器核. 处理器核. 接口等构成 处理器核
2010-6-15
《嵌入式系统》 嵌入式系统》
11
3.2
编程模型
大端格式中,字的高位放在低地址字节中,故存储器系统字节0 大端格式中,字的高位放在低地址字节中,故存储器系统字节0连 接到数据总线31 24. 31～ 接到数据总线31～24. 小端格式(Little-endian) 小端格式(Little-endian)
处理器模式
系统 系统 (sys) (sys) 快中断 (fiq) 快中断 (fiq) 中断 中断 (irq) (irq) 管理 管理 (svc) (svc)
除用户模式外,其它模式均为特权模式. 除用户模式外,其它模式均为特权模式. 特权模式
IRQ异常响应时进入此模式 ARM内部寄存器和一些片内外设在硬件设计上只 ARM内部寄存器和一些片内外设在硬件设计上只
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3.1
ARM体系结构概述 ARM体系结构概述
ARM I/O结构 结构 端口地址作为特殊的存储器地址. (1)存储器映像 :把I/O端口地址作为特殊的存储器地址. )存储器映像I/O: 端口地址作为特殊的存储器地址 (2)直接存储器存取 )直接存储器存取DMA:I/O的数据块不通过处理器直接送至存储 : 的数据块不通过处理器直接送至存储 器. 和快速中断FIQ:没有 功能的ARM仍采用中断方式 (3)中断 )中断IRQ和快速中断 和快速中断 :没有DMA功能的 功能的 仍采用中断方式 进行I/O, 快是因为使用了专用的寄存器. 进行 ,FIQ比IRQ快是因为使用了专用的寄存器. 比 快是因为使用了专用的寄存器 ARM协处理器接口 协处理器接口 ARM是一个精简的内核,有一个基本的通用指令集,若要增加功 是一个精简的内核,有一个基本的通用指令集, 是一个精简的内核 能,扩充指令集,就要通过增加协处理器来实现. 扩充指令集,就要通过增加协处理器来实现.
系统复位和软件中断响应时进入此模 操作系统保护代码 允许特权模式下访问.在特权模式中, 允许特权模式下访问.在特权模式中,可自由 式 用于支持虚拟内存和/或存储 器保护
切换处理器模式, 切换处理器模式,用户模式不能直接切换到别 的模式. 的模式.
在ARM7TDMI没有大用处 未定义指令异常响应时进入此模式
处理器模式
快中断 (fiq) 快中断 (fiq) 中断 中断 管理 管理 中止 中止 (irq) (irq) (svc) (svc)
这五种模式称为异常模式. 这五种模式称为异常模式.它们除了可以通 异常模式
过程序切换进入外,也可以由特定的异常进入. 过程序切换进入外,也可以由特定的异常进入. 系统复位和软件中断响应时进入此模
编程模型
说明 正常程序工作模式 用于支持操作系统的特权任务 等 支持高速数据传输及通道处理 用于通用中断处理 操作系统保护代码 用于支持虚拟内存和/或存储 器保护 支持硬件协处理器的软件仿真 备注 不能直接切换到其它模式 与用户模式类似,但具有可以直接切 换到其它模式等特权 FIQ FIQ异常响应时进入此模式 IRQ异常响应时进入此模式 系统复位和软件中断响应时进入此模 式 在ARM7TDMI没有大用处 未定义指令异常响应时进入此模式 (usr) (sys)
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3.1
ARM体系结构概述 ARM体系结构概述
ARM体系结构有哪些特点? 体系结构有哪些特点? 体系结构有哪些特点 型处理器结构: (1)RISC型处理器结构:一个机器周期执行一条指令;加载 存储结 ) 型处理器结构 一个机器周期执行一条指令;加载/存储结 构,数据操作只对寄存器,不对存储器;采用多寄存器结构,使 数据操作只对寄存器,不对存储器;采用多寄存器结构, 指令的操作都在寄存器间进行;简单的寻址模式; 指令的操作都在寄存器间进行;简单的寻址模式;指令长度固定 等等. 等等. 指令集: (2)Thumb指令集:提供更好的代码密度; ) 指令集 提供更好的代码密度; 种处理器模式; (3)多处理器状态模式:7种处理器模式; )多处理器状态模式: 种处理器模式 (4)嵌入式在线仿真调试; )嵌入式在线仿真调试; (5)灵活和方便的接口; )灵活和方便的接口; (6)低电压低功耗的设计. )低电压低功耗的设计.
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3.1
ARM体系结构概述 ARM体系结构概述
ARM的流水线结构 的流水线结构 级流水线: (1)3级流水线:取指,译码和执行. ) 级流水线 取指,译码和执行. 级流水线: (2)5级流水线:取指,指令译码,执行,数据缓存和写回. ) 级流水线 取指,指令译码,执行,数据缓存和写回 ARM存储器结构 存储器结构 RAM,ROM都通过总线外接,地址范围 32b=4GB.有的带有存 , 都通过总线外接, 都通过总线外接 地址范围2 . 储器管理单元MMU(Memory Management Unit). ( 储器管理单元 ).
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3.1
ARM体系结构概述 ARM体系结构概述
AMBA(Advanced Microcontroller Bus Architecture,先进 ( ,
ARM的AMBA接口 的 接口
的微控制器总线结构) 部件的扩展, 的微控制器总线结构)用于I/O部件的扩展,已成为事实上的片上总 部件的扩展 包括三类总线: 线OCB(On Chip Bus)标准.AMBA包括三类总线:AHB( ( )标准. 包括三类总线 ( Advanced High-performance Bus), ),ASB(Advanced System ), ( Bus), ),APB(Advanced Peripheral Bus). ), ( ). ARM的JTAG测试接口 的 测试接口 主要用于芯片内部测试,实现 主要用于芯片内部测试,实现ISP(In-System Programmable ( 在线编程),对 等器件进行编程. 在线编程),对FLASH等器件进行编程. ), 等器件进行编程
式
中止
(abt)
用于支持虚拟内存和/或存储器 在ARM7TDMI没有大用处 保护 支持硬件协处理器的软件仿真
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未定义
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处理器模式
(fiq) (irq) (svc)
(abt)
(und)
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用户
编程模型
说明 正常程序工作模式 用于支持操作系统的特权任务 等 支持高速数据传输及通道处理 用于通用中断处理 备注 不能直接切换到其它模式 与用户模式类似,但具有可以直接切 换到其它模式等特权 FIQ FIQ异常响应时进入此模式 (usr)
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第3 章
ARM体系结构 ARM体系结构
3.1 ARM体系结构概述 体系结构概述 3.2 编程模型 基本寻址方式 3.3 ARM基本寻址 基本寻址 3.4 ARM指令集 指令集
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3.2
编程模型
1, 数据类型(3种) , 数据类型( 种 ARM处理器支持哪些数据类型? 处理器支持哪些数据类型? 处理器支持哪些数据类型 字节 8位 位 半字 16位(占两个字节) 位 占两个字节) 个字节) 字 32位(占4个字节) 位 个字节 2 ,字的存储格式(2种) 字的存储格式( 种 大端格式(Big-endian) 大端格式(Big-endian)
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3.1
ARM体系结构概述 ARM体系结构概述
2,ARM处理器结构 处理器结构
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