ARM体系架构解析

M
支持长乘法 32位乘32位得到64位，32位的乘加得到64位
I Embedded ICE 提供片上断点和调试点
E
DSP指令 增加了DSP算法处理器指令：16位乘加指令，饱和
的带符号数的加减法，双字数据操作，cache预取指
令
J Java加速器Jazelle提高java代码的运行速度
S
可综合
提供VHDL或Verilog语言设计文件
ARM7EJ-S
Unified Cache
无 无
8k
8k或4k
无
内存管 理 无 无
MMU
Protecti on Unit
无
流水线级 Thum DS Jazell
别
bPe
3
有无无
3
有无无
3
有无无
3
有无无
3
有有有
❖ARM9 Family
Cache 内存管理 流水线 Thumb DSP Jazelle 级别
➢ ARM处理器市场覆盖率最高、发展趋势广阔
基于ARM技术的32位微处理器，市场的占有率目前已达到 80%。
绝大多数IC制造商都推出了自己的ARM结构芯片。我国的 中兴集成电路、大唐电讯、中芯国际和上海华虹，以及 国外的一些公司如德州仪器、意法半导体、Philips、 Intel、Samsung等都推出了自己设计的基于ARM核的处理
过,其基本性能：
基本的数据处理指令(无乘法) 字节、半字和字的LOAD/STORE指令 转移指令，包括子程序调用及链接指令 软件中断指令 寻址空间：64M字节(26)
❖ V2版架构 ❖ ������ ������ 该版架构对V1版进行了扩展,如
ARM2架构,增加了以下功能：
乘法和乘加指令 支持协处理器操作指令 快速中断模式 SWP/SWPB基本存储器与寄存器交换指令 寻址空间：64M字节
增加了16位Thumb指令集
完善了软件中断SWI指令的功能
增加了处理器的特权模式。
❖ V5版架构
❖ ������ ������ 这是最近几年推出ARM架构,在 V4版基本上增加了一些新的指令,ARM10 和XScale都采用该版架构,这些新增指令有：
带有链接和交换的转移BLX指令 计数前导零CLZ指令 BKPT软件断点指令 增加了信号处理指令 为协处理器增加更多可选择的指令
器。
❖ 应用一：工业控制领域
作为32 的RISC 架构，基于ARM 核的微控制器 芯片不但占据了高端微控制器市场的大部分市场 份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展， ARM 微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8 位/16 位微控制器提出了挑战。
❖ 应用二：无线通讯领域
目前已有超过85%的无线通讯设备采用了ARM 技术， ARM 以其高性能和低成本，在该领域的 地位日益巩固。
改进哈佛体系结构分成三个存储区：程序、数据、 程序和数据共用。
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。
❖ CISC CPU 包含有丰富的单元电路，因而功 能强、面积大、功耗大。
❖ ������ ������ V1版架构
❖ ������ ������ V2版架构
❖ ������ ������ V3版架构
❖ ������ ������ V4版架构
❖ ������ ������ V5版架构
❖
V6版架构
❖ V1版架构 ❖ ������ ������ 该版架构只在原型机ARM1出现
Memory system 2: Cache, MMU, Process ID 4: Cache, MPU 6: Write buffer, no cache
Memory size 0: Cache size (4-128KB) 2: Reduced cache size 6: TCM
Synthesizable
ARM9TDMI流水线技术
ARM7TDMI
Instruction Fetch
FETCH
ThumbARM decompress
ARM decode Reg Select
DECODE
Reg
Read Shift
ALU
Reg
Write
EXECUTE
ARM9TDMI
Instruction Fetch
FETCH
❖ V4版架构
❖ ������ ������ V4版架构是目前应用最广的ARM 体系结构,对V3版架构进行了进一步扩充,有 的还引进了16位的Thumb指令集,使ARM使 用更加灵活。ARM7、ARM8、ARM9和 StrongARM都采用该版架构。指令集中增加 了以下功能：
有符号、无符号的半字和有符号字节的 Load/Store指令。
1）从存储器读取指令（fetch） 2）译码以鉴别它是哪一类指令（dec） 3）从寄存器组取得所需的操作数（reg） 4）将操作数进行组合以得到结果或存储器地址（exe） 5）如果需要，则访问存储器存取数据（mem） 6）将结果回写到寄存器组（res）
流水线技术
❖ 三级流水线技术
从零字节到三字节放置第一个存储的字数据，从第四个 字节到第七个字节放置第二个存储的字数据，依次排列。 32位的字数据要使用4个地址单元，16位半数据要使用2个 地址单元。
这样，就存在一个所存储的字或半字数据的排列顺序问 题。ARM体系结构可以用两种方法存储字数据，称为大端格 式和小端格式 。
ARM存储格式
❖ 应用五：成像和安全产品
现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用 ARM 技术。手机中的32位SIM 智能卡也采用了 ARM 技术。
❖ ARM处理器的使用量
❖ ARM处理器的特点:
1、体积小、低功耗、低成本、高性能； 2、支持Thumb（16 位）/ARM（32 位）双指令
集，能很好的兼容8 位/16 位器件； 3、大量使用寄存器，指令执行速度更快； 4、大多数数据操作都在寄存器中完成； 5、寻址方式灵活简单，执行效率高； 6、指令长度固定；
第二章 ARM技术概述
❖ ARM概述 ❖ ARM体系结构 ❖ Thumb技术介绍
一、ARM概述
ARM是什么？ ❖ Advanced RISC Machines
一个公司的名字——英国知识产权核（IP）设计 公司
一类微处理器的通称 一种技术的名字（ARM微处理器核）
ARM 微处理器的应用领域及特点
ARM or Thumb Inst Decode
Reg
Reg
Decode Read
DECODE
Shift + ALU
EXECUTE
Memory Access
MEMORY
Reg Write
WRITE
ARM存储格式
ARM存储器以8位为一个单元存储数据(一个字节)，每个 存储单元分配一个存储地址。
ARM将存储器看作是从零地址开始的字节的线性组合。 作为32位的微处理器，ARM体系结构所支持的最大寻址空 间为4GB（232字节）。
word a=0x f6 73 4b cd
低地址
地址A
f6
地址A+1
73
地址A+2
4b
地址A+3
cd
高地址
低地址
cd
地址A
4b
地址A+1
73
地址A+2
f6
地址A+3
高地址
二、ARM体系结构
ARM系列产品表示
ARM 926EJ-S
Family number 7: ARM7 9: ARM9 10: ARM10 11: ARM11
❖ V3版架构
把寻址空间增至32位(4G字节), 增加了当前程序状态寄存器CPSR和程序状态保
存寄存器SPSR以便于异常的处理。 增加了中止和未定义二种处理器模式。 ARM6就采用该版架构。 指令集变化如下： 增加了MRS/MSR指令,以访问新增的CPSR/SPSR
寄存器
增加了从异常处理返回的指令功能。
指令0 指令1 指令2
数据通道
输入
输出
中央处理器
总线
数据存储器
数据0 数据1 数据2
❖ 哈佛体系结构的特点
1）程序存储器与数据存储器分开. 2）提供了较大的存储器带宽，各自有自己的
总线。 3）适合于数字信号处理. 4）大多数DSP都是哈佛结构. 5）ARM9是哈佛结构 6）取指和取数在同一周期进行，提高速度，
ARM处理器的分类 ❖ 基于指令集体系结构的分类
v1，v2，v5，v5TEJ，v6等
❖ 基于处理器内核的分类
ARM7，ARM9，ARM10，ARM11，StrongARM， XScale等
❖ ARM体系结构版本
❖ ������ ������ ARM架构自诞生至今,已经发生了 很大的演变,至今已定义的版本有：
RISC结构 Cpu 仅处理寄存器中的数据，采用独立的、 专用的LOAD –STORE 指令来完成数据在寄存器和外存 之间的传送。（访存费时，处理和存储分开，可以反复 的使用保存在寄存器中的数据，而避免多次访问外存）。
CISC结构 能直接处理存储器中的数据。
流水线技术
流水线：是把一个重复的过程分解为若干个子过 程，每个子过程可以与其他子过程同时进行。 由于这种工作方式与工厂中的生产流水线十分相似， 因此，把它称为流水线工作方式。 ❖ 处理器按照一系列步骤来执行每一条指令。典 型的步骤为：
RISC：精简指令集（Reduced Instruction Set Computer)
❖ 在通道中只包含最有用的指令,只提供简单的操作。 ❖ 确保数据通道快速执行每一条指令
❖ Load-store结构—— 处理器只处理寄存器中的数据， load-store指令用来完成数据在寄存器和外部存储器 之间的传送。
Extensions E: DSP extension J: Jazelle extension T: Thumb support …
标志
含义
说明
T 支持Thumb指令集 Thumb指令集版本1：ARMv4T
Thumb指令集版本2：ARMv5T
Thumb-2：ARMv6T
D
片上调试 使处理器能够停止，以响应调试请求
❖ v6版架构
2001年发布的 适合使用电池供电的便携式设备 增加了 SIMD功能扩展，提高了嵌入式应用系统
的音频、视频处理能力。
首先在2002年发布的ARM11处理器中使用
ARM处理器内核系列：
❖ ARM7 Family
ARM7TDMI ARM7TDMI-
S ARM71wenku.baidu.comT/72
0T ARM740T
每条指令的执行周期：T= TF+TD+TE+TS
冯·诺依曼体系的特点
❖ 1）数据与指令都存储在同一存储区中，取指 令与取数据利用同一数据总线。
❖ 2）被早期大多数计算机所采用 ❖ 3）ARM7——冯诺依曼体系
结构简单,但速度较慢。取指不能同时取数据
❖ 哈佛体系结构模型
指令寄存器 控制器
总线
程序存储器
几个重要概念： 冯·诺依曼体系结构模型
指令寄存器 控制器
总线
数据通道
输入
输出
中央处理器
存储器
程序
指令0 指令1 指令2 指令3 指令4
数据
数据0 数据1 数据2
❖ 指令的执行周期T
1）取指令（Instruction Fetch)：TF 2）指令译码（Instruction Decode）：TD 3）执行指令（Instruction Execute）：TE 4）存储（Storage）：TS
❖ 应用三：网络设备
随着宽带技术的推广，采用ARM 技术的ADSL 芯 片正逐步获得竞争优势。此外，ARM 在语音及 视频处理上进行了优化，并获得广泛支持，也对 DSP 的应用领域提出了挑战。
❖ 应用四：消费类电子产品
ARM 技术在目前流行的数字音频播放器、数字 机顶盒和游戏机中得到广泛采用。
❖ 使CPU硬件结构设计变得更为简单， RISC CPU包 含较少的单元电路，因而面积小、功耗低
主要差别：
❖ 寄存器
RISC指令集 拥有更多的通用寄存器，每个可以存放数据 和地址，寄存器为所有的数据操作提供快速的存储访问。
CISC指令集 多用于特定目的的专用寄存器。
❖ LOAD –STORE 结构
ARM9TDMI 无
无
5
有
无
无
ARM920T 16K/16k MMU
5
有
无
❖ 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(low-endian)：与大端存储格式相反。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。缺省设置为小端格式。
ARM存储格式
大端的数据存放格式
小端的数据存放格式