chapter2ARM7体系结构
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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
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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
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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
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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体系结构概述
PC
状态寄 存器 CPSR
R15
CPSR
注意：括号内为ATPCS中寄存器的命名，可以使用RN汇编伪指令将寄存器 定义多个名字。其中ADS1.2的汇编程序直接支持这些名称，但注意a1～a4， v1～v4必须用小写。
周立功单片机
Thumb状态下的通用寄存器
寄存器 寄存器在汇编 类别 中的名称 R0(a1) R1(a2) R2(a3) R3(a4) 通用寄 存器和 程序计 数器 R4(v1) R5(v2) R6(v3) R7(v4,wr) SP LR R13 R14 R13_svc 各模式下实际访问的寄存器 用户 系统 管理 中止 R0 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R13_abt R13_und R13_irq R13_fiq 未定义 中断 快中断
Xscale
周立功单片机
2.1 ARM简介
• ARM处理器核简介——ARM7
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。
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
所以最好避免使用STR和STM指令来保存R15， 如果很难做到，那么应当在程序中计算出该芯片的 偏移量。
第章ARM7体系结构ppt课件
1.1 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。
1.2 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。
数据可以是字节（ 8位）、半字（ 16位）或者 字（32位）。
1.2 ARM7TDMI
• 存储器访问
第1章 ARM7体系结构
第1章 目录
1.简介
9.异常
2.ARM7TDMI
10.中断延迟
3.ARM7TDMI的模块和 11.复位
内部框图
12.存储器及存储器映射
4.体系结构直接支持的 I/O
数据类型
13.寻址方式简介
5.处理器状态
14.ARM7指令简介
6.处理器模式
内部周期； 非连续的周期； 连续 的周期； 协处理器寄存器的传输周期。
第1章 目录
1.简介
9.异常
2.ARM7TDMI 10 Nhomakorabea中断延迟
3.ARM7TDMI的模块和 11.复位
内部框图
12.存储器及存储器映射
4.体系结构直接支持的 I/O
数据类型
13.寻址方式简介
LOCK
DBGINSTRVALID DBGRQ DBGBREAK DBGACK DBGnEXEC DBGEXT[1] DBGEXT[0] DBGEN DBGRNG[1] DBGRNG[0] DBGCOMMRX DBGCOMMTX
第2章ARM7体系结构.
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
2.2 ARM7TDMI
• 思考题
地址
PC
指令
0x4000 0x4004 0x4008 0x400C
ADD PC，PC，#4 …… …… ……
PC PC-4
一般来说，人们习惯 程序计数器 执行 PC 指向 ADD 0x4008 PC,PC,#4 R15(PC) 地址， 指 性约定将“正在执行” PC 指向 0x4000 0x4004 地址， 总是指向“正在取指” 令后， 执行 ADD PC 指令，所以指 的值为多少？ 的指令作为参考点，则： 取指 译码 ADD 指令。 的指令，而不是指向 令执行的结果为 : PC值＝当前程序执行位置＋ 8 “正在执行”的指令或 PC=PC+4＝0x4008＋4 注：ARM “正在译码”的指令。 ＝0x400C 。 状态时， 每条指令为4字节长。
ARM7TDMI-S
ARM7TDMI 的可综合（synthesizable） 版本（软核），对应用工程师来说其编 程模型与ARM7TDMI 一致；
支持EmbededICE观察硬件；
支持64位乘法； 支持片上调试； 支持高密度16位的Thumb指令集；
2.2 ARM7TDMI
• 存储器的字与半字
从偶数地址开始的连续2个字节构成一个半字；
2.1 ARM简介
• Xscale简介
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。 主要应用于手提式通讯和消费电子类设备。
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
2.2 ARM7TDMI
• 思考题
地址
PC
指令
0x4000 0x4004 0x4008 0x400C
ADD PC，PC，#4 …… …… ……
PC PC-4
一般来说，人们习惯 程序计数器 执行 PC 指向 ADD 0x4008 PC,PC,#4 R15(PC) 地址， 指 性约定将“正在执行” PC 指向 0x4000 0x4004 地址， 总是指向“正在取指” 令后， 执行 ADD PC 指令，所以指 的值为多少？ 的指令作为参考点，则： 取指 译码 ADD 指令。 的指令，而不是指向 令执行的结果为 : PC值＝当前程序执行位置＋ 8 “正在执行”的指令或 PC=PC+4＝0x4008＋4 注：ARM “正在译码”的指令。 ＝0x400C 。 状态时， 每条指令为4字节长。
ARM7TDMI-S
ARM7TDMI 的可综合（synthesizable） 版本（软核），对应用工程师来说其编 程模型与ARM7TDMI 一致；
支持EmbededICE观察硬件；
支持64位乘法； 支持片上调试； 支持高密度16位的Thumb指令集；
2.2 ARM7TDMI
• 存储器的字与半字
从偶数地址开始的连续2个字节构成一个半字；
2.1 ARM简介
• Xscale简介
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。 主要应用于手提式通讯和消费电子类设备。
第二章ARM处理器基础ARM7
半字：从地址0x0000处取一个半字数据，则取出来的内容为3412；从 地址0x0001处取一个半字数据，则取出来的内容为5634； 字：从地址0x0000处取一个字数据，则取出来的内容为78563412；从 地址0x0001处取一个字数据，则取出来的内容为9A785634。
注意：ARM7处理器在对数据操作时要边界对齐，要找到正确的地址。
各条件码标志位的具体含义
标志位 N Z 含义 运算结果的符号位。对于有符号二进制补码，结果为负时，N=1；结果为正或零时， N=0。 Z=1表示运算的结果为零（通常表示比较结果“相等”）；Z=0表示运算的结果不为 零。 分4种情况设置C的值 - 加法运算 当运算结果产生进位时，C=1；否则C=0 - 减法运算 当运算产生借位时，C=0；否则C=1 - 包含移位操作的非加/减运算指令 C为移出值的最后一位 - 其他的非加/减运算指令 C的值通常不变 分2种情况设置V的值 - 加/减法运算指令 当发生有符号溢出时，V=1；否则，V=0 - 其他的非加/减运算指令 V的值通常不变
3、和51系列相似的中断向量结构； 4、支持协处理器。
ARM7微处理器核功能 框图
A[31:0]：地址总线。 D[31:0]：数据总线。 ABORT：存储器中止逻辑。 BIGEND：数据格式大端、小 端控制逻辑。 MAS[1:0]：决定数据字长的 控制逻辑。 nFIQ：快速中断请求逻辑。 nIRQ：通用中断请求逻辑。 DM[4:0]：处理器工作模式控 制逻辑。
AHB外设 VPB外设
0xFFFF FFFF 0xF000 0000 0xE000 0000
保留给外部存储器 0x8000 0000
2.0GB
Boot Block (从片内Flash存储器重新映射) 保留给片内存储器
第章ARM7体系结构ppt课件
5.处理器状态
14.ARM7指令简介
6.处理器模式
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
• 1.3 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]
1.2 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。
数据可以是字节（ 8位）、半字（ 16位）或者 字（32位）。
1.2 ARM7TDMI
• 存储器访问
高的指令吞吐量； 出色的实时中断响应； 小的、高性价比的处理器宏单元。
1.2 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。
ARM7TDMI的流水线分3级，分别为： 取指译码执行
1.1 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。
第3章 目录
1.简介
9.异常
2.ARM7TDMI
10.中断延迟
3.ARM7TDMI的模块和 11.复位
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。
ARM7体系结构详细介绍
ARM7体系结构详细介绍简介ARM（Advanced RISC Machines）是一种32位的RISC（Reduced Instruction Set Computer）处理器架构，广泛应用于嵌入式系统、智能手机和平板电脑等领域。
ARM7是ARM体系结构中的一代经典产品，采用了精简指令集，具有低功耗、高效能和高性价比等特点。
架构特性处理器核心ARM7处理器核心是一个半导体芯片，包含了用于指令解码、执行、访存等任务的硬件单元。
ARM7采用了5级流水线架构，可以实现超过20万条指令每秒的处理性能。
此外，ARM7支持可选的乘法器、除法器和调试接口，以满足不同的应用需求。
寄存器ARM7提供了一组寄存器来存放指令和数据。
寄存器分为通用寄存器和特殊目的寄存器两种。
通用寄存器包括16个32位的寄存器，用于存储临时数据和计算结果。
特殊目的寄存器包括程序计数器（PC）、堆栈指针（SP）等，用于指导程序执行和管理堆栈。
存储器ARM7的存储器包括内部存储器和外部存储器两部分。
内部存储器分为指令存储器和数据存储器，用于存放程序指令和数据。
外部存储器通常是闪存、RAM等，用于扩展存储容量。
ARM7支持32位的地址总线，可以寻址最多4GB的内存空间。
性能与功耗ARM7采用了先进的CMOS工艺，使得它具有低功耗和高性能的特性。
ARM7的功耗通常在几个毫瓦到几十个毫瓦之间，可以满足嵌入式系统对功耗的严格要求。
同时，ARM7的高性能使得它可以处理复杂的计算任务，例如图像处理、音视频处理等。
调试与开发ARM7支持ARM公司定义的JTAG调试接口，可以通过调试器进行程序的单步调试、断点设置等操作。
此外，ARM7还提供了丰富的开发工具和软件支持，开发者可以使用C语言、汇编语言等进行编程，方便快捷地开发ARM7的应用程序。
应用领域由于ARM7具有低功耗、高效能和高性价比等特点，因此广泛应用于各种嵌入式系统和移动设备。
下面是一些主要的应用领域：嵌入式系统ARM7在嵌入式系统中得到了广泛的应用，例如工业控制、智能家居、汽车电子等领域。
ARM7体系结构详细说明
922T：带有独立的8位 数据和指
多到35%；
令；
在0.13µm工艺下最高性能可达到300（ 2.1
940T–包括更小数据和指令和一
测试标准）；
个
集成了数据和指令；
32位总线接口的支持；
可在0.18µm、 0.15µm和0.13µm工艺的硅芯
片上实现。
3.1 简介
9E
926： 技术，有，可配置的数据和 9E是针对微控制器、和的单处理器解决方案；
公司开发了很多系列的处理器核，目前最新的 系列已经是11了，而6核以及更早的系列已经很罕 见了。目前应用比较广泛的系列是：
7
9
9E
10
11
3.1 简介
ARM7
预取
译码
执行
（Fetch） （Decode） （Execute）
ARM9
预取
译码
执行
访存
写入
（Fetch） （Decode） （Execute） （Memory） （Write）
3.1 简介
各体系结构版本
体系结构从最初开发到现在有了很大的改进， 并仍在完善和发展。为了清楚的表达每个应用实例 所使用的指令集，公司定义了6种主要的指令集体 系结构版本，以版本号V1～V6表示。
3.1 简介
各体系结构版本——V1
该版本的体系结构，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。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
预取
发送
译码
执行
访存
写入
ARM10 （Fetch） （Issue） （Decode） （Execute） （Memory） （Write）
《微机原理与嵌入式系统基础》课件第2章
第 2 章 ARM7 体系结构
ARM7采用ARM v4T结构，分为三级流水线，具有如下 特点：
(1) RISC处理器结构。 (2) 具有嵌入式ICE-RT逻辑，调试开发方便。 (3) 极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式 产品。 (4) 能够提供0.9 MIPS/MHz的三级流水线结构。 (5) 支持32位的ARM指令集和16位的Thumb指令集。 (6) 直接支持8 bit、16 bit和32 bit数据操作。 (7) 对操作系统的支持广泛，包括WinCE、Linux、Palm OS等。
第 2 章 ARM7 体系结构
在计算机体系结构中，另外一个重要的内容是存储器体系 结构。现在常用的有两种：冯·诺依曼存储器体系结构和哈佛 存储器体系结构。传统的计算机采用冯·诺依曼结构存储体系， 也称为普林斯顿结构，是一种将程序指令存储器和数据存储器 合并在一起编址的存储器结构，其主要特征是：程序和数据共 用一个存储空间，只是安排在不同的地址空间位置；取指和取 数操作使用同一套总线，只是在不同的时间访问不同的目标存 储单元。目前使用冯·诺依曼结构的MPU(微处理器)和MCU(微 控制器)有很多，如Intel 8086、ARM公司的ARM7、MIPS公司 的MIPS处理器等。
第 2 章 ARM7 体系结构
第2章 ARM7 体系结构
2.1 概述 2.2 ARM7的状态与模式 2.3 ARM7的寄存器 2.4 ARM7当前程序状态寄存器(CPSR) 2.5 ARM7的异常与异常处理 2.6 ARM7的存储系统 本章小结 习题
第 2 章 ARM7 体系结构
2.1 概 述
所谓处理器的“体系结构”(或称为“系统结构”)，是 处理器的逻辑抽象，是指程序员在使用某处理器编制程序时， 所“看到”从而可以在程序中使用的处理器资源构成、使用方 式、工作原理及其相互间的关系。其中最为重要的就是处理器 所提供的指令系统和寄存器组模型。
chapter2ARM7体系结构
系统
(sys)
用于支持操作系统的特 与用户模式类似，但具有可以
权任务等 这五种模式直称接为切换异到常其它模模式式等。特权
快快中中断断 ((ffiiqq)) 支 道持处它高理们速数除据了传输可及以通通过FIQ程异常序响切应时换进进入此入模外式 ，
中中断断 ((iirrqq)) 用于也通可用中以断由处理特定的异IRQ常异常进响入应时。进当入此特模定式
冯·诺依曼存储器体系结构和哈佛存储器体 系结构
2020/4/11
西安邮电学院 计算机系
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1. RISC处理器
RISC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。 RISC处理器具有以下特点： ① 采用LOAD/STORE结构。因为访问存储器指令所需 要的时间比较长，在指令系统中要尽量减少这类指 令，所以RISC指令中只保留不可再少的 LOAD/STORE两种存储器访问指令； ② 硬布线控制逻辑。使得大多数指令在单周期内执行 完成，以减少微程序技术中的指令解释开销； ③ 减少指令和寻址方式的种类。寻址方式简单，指令 系统小； ④ 指令长度固定。
(abt) 用 存于 储可资支 器以源持保虚护使。拟用内存这和个/或模式在A访RM问7TD一M些I没有受大控用处的
(und)
支持硬件协处理器的软 件仿真
未定义指令异常响应时进入此 模式
2020/4/11
西安邮电学院 计算机系
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ARM7处理器约定了进入到5种异常模式的 对应事件：
① 管理模式（svc）：复位或执行SWI软中断指 令时，进入该模式。
Power/Power PC 9% MIPS 6%
2020/4/11
嵌入式系统及应用第2章 ARM7及其体系结构2
2.9 异常
• 进入异常
在异常发生后，ARM7TDMI内核会作以下工作： 2.将CPSR复制到适当的SPSR中； 3. 将CPSR模式位强制设置为与异常类型相对应的值； 4.强制PC从相关的异常向量处取指。
2.9 异常
• 进入异常
ARM7TDMI内核在中断异常时置位中断禁止标 志，这样可以防止不受控制的异常嵌套。 注：异常总是在ARM状态中进行处理。当处理器处 于Thumb状态时发生了异常，在异常向量地址装入 PC时，会自动切换到ARM状态。
中断处理代码的开始部分和退出部分
SUB LR,LR,#4
;计算返回地址
STMFD SP!,{R0-R3,LR} ;保存使用到的寄存器
...
LDMFD SP!,{R0-R3,PC}^ ;中断返回
2.9 异常
• 异常的入口和出口处理
如果异常处理程序已经把返回地址拷贝到堆栈， 那么可以使用一条多寄存器传送指令来恢复用户寄 存器并实现返回。
2.9 异常
• 进入异常
在异常发生后，ARM7TDMI内核会作以下工作：
1.在适当的LR中保存下一条指令的地址，当异常入 口来自：
ARM状态，那么ARM7TDMI将当前指令地址 加4或加8复制（取决于异常的类型）到LR中； 为 Thumb 状 态 ， 那 么 ARM7TDMI 将 当 前 指 令 地址加4或加8 （取决于异常的类型）复制到LR 中；异常处理器程序不必确定状态。
2.9 异常
• 简介
只要正常的程序流被暂时中止，处理器就进入 异常模式。例如响应一个来自外设的中断。在处理 异常之前，ARM7TDMI内核保存当前的处理器状 态，这样当处理程序结束时可以恢复执行原来的程 序。
如果同时发生两个或更多异常，那么将按照固 定的顺序来处理异常，详见“异常优先级”部分。
第2章 ARM7-9体系结构
第2章 ARM7/ARM9体系 结构
主讲人：吴贵芳
2019/11/29
电子信息工程学院
吴贵芳 easyfancy@ qq:6974784
主要内容
1.ARM简介
6.ARM内部寄存器
2.ARM7/9TDMI
7.当前程序状态寄存 器
3.ARM的模块、内 核和功能框图
8.ARM体系的异常、 中断及其向量表
• M系列为微控制核，针对成本敏感的嵌入 式控制应用
Henan University of Sci. & Tech.
11
电子信息工程学院
吴贵芳 easyfancy@ qq:6974784
内核
MIPS 32位处理器内核系列和特点
特点
M4KTM系列
针对多CPU集成的SOC应用领域为下一代消 费类产品、下一代网络和宽带产品
Henan University of Sci. & Tech.
10
电子信息工程学院
吴贵芳 easyfancy@ qq:6974784
ARMv7 Cortex系列
ARMv7版体系结构定义了3种不同的微处 理器系列：
• A系列为面向应用的微处理器核，支持复 杂操作系统和用户应用
• R系列为深度嵌入的微处理器核，针对实 时系统应用
Cortex-M3主要应用于汽车车身系统，工业控制系 统和无线网络等对功耗和成本敏感的嵌入式应用领域。 目前最便宜的基于该内核的ARM单片机售价为1美元。
Henan University of Sci. & Tech.
15
电子信息工程学院
吴贵芳 easyfancy@ qq:6974784
Henan University of Sci. & Tech.
主讲人：吴贵芳
2019/11/29
电子信息工程学院
吴贵芳 easyfancy@ qq:6974784
主要内容
1.ARM简介
6.ARM内部寄存器
2.ARM7/9TDMI
7.当前程序状态寄存 器
3.ARM的模块、内 核和功能框图
8.ARM体系的异常、 中断及其向量表
• M系列为微控制核，针对成本敏感的嵌入 式控制应用
Henan University of Sci. & Tech.
11
电子信息工程学院
吴贵芳 easyfancy@ qq:6974784
内核
MIPS 32位处理器内核系列和特点
特点
M4KTM系列
针对多CPU集成的SOC应用领域为下一代消 费类产品、下一代网络和宽带产品
Henan University of Sci. & Tech.
10
电子信息工程学院
吴贵芳 easyfancy@ qq:6974784
ARMv7 Cortex系列
ARMv7版体系结构定义了3种不同的微处 理器系列：
• A系列为面向应用的微处理器核，支持复 杂操作系统和用户应用
• R系列为深度嵌入的微处理器核，针对实 时系统应用
Cortex-M3主要应用于汽车车身系统，工业控制系 统和无线网络等对功耗和成本敏感的嵌入式应用领域。 目前最便宜的基于该内核的ARM单片机售价为1美元。
Henan University of Sci. & Tech.
15
电子信息工程学院
吴贵芳 easyfancy@ qq:6974784
Henan University of Sci. & Tech.
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ARM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。
ARM7TDMI的流水线分3级，分别为：
取指
译码
执行
完成该指令对应的操作 对已取入到处理器的指令进行译码分析
从存储器取指令到处理器
06.12.2020
page 13
处理器状态
ARM7TDMI处理器内核包含2套指令系统， 分别为ARM指令集和Thumb指令集，并且 各自对应1种处理器的状AR态M指：令集
ARM状态：32位，处理器执行字方式的ARM 指令，处理器默认为此Th状um态b ；指令集
Thumb状态：16位，处理器执行半字方式的 Thumb指令。
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。
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3. ARM7处理器的三级流水线
注意：两个状态之间切换并不影响处理器模式或寄存器内容。
; PC＋4＝0x400C
7. …
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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
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ARM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。
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将技术授权给其它芯片厂商 ...
形成各具特色的ARM芯片
在目前的嵌入式系统开发中,你选用的是基于以下哪种架构的
X86 21%
芯片?
SH3/SH4 1%
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2. ARM7 体系结构
ARM7采用ARM v4T结构，分为三级流水，具 有如下特点：
① RISC处理器结构； ② 能够提供0.9MIPS/MHz的三级流水线结构； ③ 支持32位的ARM指令集和16位的Thumb指令集； ④ ARM7所有的指令都可以条件执行，使得程序设计
更适合流水线的工作特点； ⑤ 专用的存储器访存指令（Load/Store）。其它所有
指令都是寄存器操作指令。
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为了使ARM能够更好地满足嵌入式应用 的需要，ARM体系结构还有以下特点：
每条数AR据M7处TD理M指I-S令可A版同R本M时（7T软包D核M含）I 的，算可对综术应合用逻（工s辑y程n师th单e来si说z元ab其l（e编）ALU） 的运算和移位处理，程实模现型与AALRUM和7TD移MI位一致器；的最大利用；
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三级流水线结构的指令执行顺序
PC PC-8 4
PC+4
…… 指令1 指令2 指令3 指令4 ……
程序存储器
周期1 周期2 周期3 周期4 周期5 周期6
处理器执行一条 取指 译码 执行 指令的三个阶段
取指 译码 执行
取指 译码 执行
取指 译码 执行
1234 在第1234个个周周期期，，P指PCC令指指1向向执指指行令令完123成，，，此此指时时令指指2令令和1 进 1指进入 令入3三三流级级水流流线水水推线线进的的一取译 执级指码 行，阶阶同段段时。，开同指始时令指取2令进出4入的指译取 令 码 指阶 处2。段 理， 。取出指令3。
Power/Power PC 9% MIPS 6%
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ARM 63%
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2.1 ARM7体系结构
“体系结构”（或称为“系统结构”）， 是处理器的逻辑抽象，是指程序员在使用 某处理器编制程序时，所“看到”从而可 以在程序中使用的处理器资源构成、使用 方式、工作原理及其相互间的关系。其中 最为重要的就是处理器所提供的指令系统 和寄存器组模型。
第2章 ARM7体系结构
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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
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冯·诺依曼存储器体系结构和哈佛存储器 体系结构
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1. RISC处理器
RISC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。 RISC处理器具有以下特点： ① 采用LOAD/STORE结构。因为访问存储器指令所需 要的时间比较长，在指令系统中要尽量减少这类指 令，所以RISC指令中只保留不可再少的 LOAD/STORE两种存储器访问指令； ② 硬布线控制逻辑。使得大多数指令在单周期内执行 完成，以减少微程序技术中的指令解释开销； ③ 减少指令和寻址方式的种类。寻址方式简单，指令 系统小； ④ 指令长度固定。
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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 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
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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。