ARM体系结构

存储器之间的传输
09.03.2020
ARM设计思想
（1）ARM微处理器被设计成较小的核，降低功耗，延长 电源的使用时间。
（2）存储量有限，这就要求嵌入式系统需要使用高密度 代码。
（3）嵌入式系统对成本敏感，一般选用速度不高，成本 较低的存储器，以降低系统成本。
（4）ARM内核不是一个纯粹的RISC体系结构，这是为使 它能够更好地适应其嵌入式的应用领域。
存器外，其余模式都有各自的物理寄存器
R15 ，程序计数器PC，用于标识下一条将要执 行指令的地址
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（2）状态寄存器CPSR、SPSR
当前程序状态寄存器（Current Program Status Register ，CPSR ）在任何模式下都可 以被访问，它包含了条件标志位、中断标志位、 当前处理器模式、以及其它的一些状态和控制 位
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2.3.1 ARM公司简介
ARM（Advanced RISC Machines），既 可以认为是一个公司的名字，也可以认为 是对一类微处理器的通称，还可以认为是 一种技术的名字。
ARM 公司是专门从事基于RISC 技术芯片 设计开发的公司，作为知识产权供应商， 本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许 可，由合作公司生产各具特色的芯片。
专用：Philips公司的Smart XA
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2.2.2 嵌入式微处理器的选择原则
型号
处理器
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ主频（MHz）
卡西欧 Cassiopeia E-100 系列 MIPS-based NEC VR4121
131
康柏 Aero 2100 系列
MIPS-based NEC VR4111
70
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2.3.2 ARM系列微处理器
－ ARM7系列 － ARM9/9E系列 － ARM10E系列 － SecurCore系列 － Intel的Xscale － Intel的Strong ARM
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ARM系列处理器属性比较
项目
ARM7 ARM9 ARM10 ARM11
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3、JTAG接口
JTAG（Joint Test Action Group，联合测 试行动小组）是一种国际标准测试协议 （IEEE 1149.1兼容），主要用于芯片内 部测试。
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经常用简易JTAG接口 直接烧写嵌入式系统 Flash存储器。
这种烧写方式是通过 一根并口电缆和一块 信号转换集成电路板 以建立PC机与开发板 之间的通信。
PC(R15)
CPSR
SPSR_svc SPSR_abt
SPSR_und
外部中断模式
R13_irq R14_irq SPSR_irq
快速中断模式
R8_fiq R9_fiq R10_fiq R11_fiq R12_fiq R13_fiq R14_fiq
SPSR_fiq
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（1）通用寄存器R0~R15
对嵌入式系统的应用项目来说，系统的关键并不单纯在于 微处理器的速度，而在于系统性能、功耗和成本。
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2.3.3 ARM体系结构和指令集
1、ARM体系结构的特点 2、ARM处理器工作模式 3、寄存器组织 4、ARM处理器的寻址方式 5、ARM处理器的指令集
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第2章 ARM体系结构
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教学要求
掌握嵌入式系统硬件平台 理解ARM体系结构和指令集
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本章内容
2.1 嵌入式系统硬件平台 2.2 嵌入式微处理器 2.3 ARM微处理器体系结构
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2.1 嵌入式系统硬件平台
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飞利浦 Nino 500 系列
MIPS-based Toshiba PR31700 75
惠普 Jornada 400 系列
Hitachi SH-3 7709a
100/133
3Com PalmPiloTM 系列
Motorola DragonBall 68VZ328 33
苹果 MessagePad 2000/2100 Intel StrongARM SA-110
哈佛结构
嵌入式RISC和CISC微处理器
RISC（Reduced Instruction Set Computer）精 简指令集计算机，重点是如何使计算机的结构 更加简单和如何使计算机的处理速度更加快速， 代表性的通用系列有Atmel公司的AT91系列、 三星公司的S3C系列、Marvell公司的PXA系列 等
160
康柏 iPAQ H3650
Intel StrongARM SA-1110
206
部分掌上电脑处理器一览表
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2.2.2 嵌入式微处理器的选择原则
1、选择哪一类处理单元 2、选择哪个厂商的产品
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2.2.2 嵌入式微处理器的选择原则
低成本 低功耗 恰当的处理能力 技术指标 调查市场上已有的CPU供应商 合适的嵌入式操作系统支持 与原有产品的兼容 编程语言的限制 上市时间 处理器供应商是否提供开发板
嵌入式片上系统SOC
嵌入式微处理器
将微处理器装配在专门设计的印制电路板上， 只保留和嵌入式应用精密相关的功能硬件，去 除其它冗余的功能部件，配上必要的外围扩展 电路，大幅减少系统的体积和功耗。
主流的嵌入式微处理器
ARM MIPS PowerPC X86等
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CISC的基础是CPU在不同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 用有关的功能，可减小系统体积和功耗。主要 有Intel公司的x86系列
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RISC的特点
采用固定长度的指令格式 使用单周期指令，便于流水线操作执行 大量使用寄存器
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Flash
一种非易失闪存，它具有和ROM一样掉电后数 据不会丢失的特性。Flash是目前嵌入式系统中 广泛采用的主流存储器
主要特点是按整体/扇区擦除和按字节编程，具 有低功耗、高密度、小体积等优点
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Flash
NOR Flash NAND Flash
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fiq 一个高优先级中断产生时进入该 模式，用于高速数据传输和通道
外部中断模式
irq 一个低优先级中断产生时进入该
(IRQ除) 用户模式以外的其他6种处模理式器，模用式于称通为常特的权中模断处理 特权模式式，(其管中理快模速式中) 断模sv式c 、外复部位中或断软模中式断、指特令权执模行式时、进入该
1、嵌入式处理器
嵌入式处理器的组成
处理器内核 地址总线 数据总线 控制总线 片上I/O接口电路及辅助电路
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2、嵌入式系统中的存储设备
RAM、SRAM、DRAM
RAM即是我们通常所说的内存。RAM又可分为 SRAM（静态存储器）和DRAM（动态存储器）
(Supe数rv据is访or)问中止模式、未定义模指式令，中操止作模系式统称使为用异的常保护模式
中止模模式式
abt 存取异常时进入该模式，用于虚
(Abort)
拟存储或存储保护
未定义指令中止模式 und 执行未定义指令时进入该模式，
(Undef)
用于通过软件仿真协处理器
系统模式(System)
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NOR Flash
在芯片内执行，可以直接读取芯片内储存的数据， 因而速度比较快。应用程序直接在Flash内运行， 不必把代码读到系统RAM中运行
地址线与数据线分开，可以以“字”为基本单位 操作
写操作需要擦除和写入两个过程，每次擦除只能 擦除一个扇区，不能逐个字节擦除
擦除速度慢，以64~128KB的块为单位 主要用于代码存储介质中 最大可擦写次数10万次
未备份寄存器(the unbanked register)R0~R7
没有被系统用于特殊的用途，而且在各模式下它们 对应同一个物理寄存器
备份寄存器(the banked register)R8~R14
R8~R12对应两组物理寄存器 R13、R14除了系统模式和用户模式共用一组物理寄
流水线深度
3级
5级
6级
8级
典型频率(MHz) 80
150
260
335
功耗(mw/MHz) 0.06
0.4(+cache)
0.19(+cache) 0.5(+cache)
MIPS/MHz 0.97
1.1
1.3
1.2
架构 佛
冯.诺依曼 哈佛
哈佛
哈
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哈佛总线体系结构
冯·诺依曼结构
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嵌入式微控制器
最初的表现形式是单片机 将整个计算机系统的主要硬件集成到一
块芯片上。 主流的MCU
MCS51 P51XA MCS-251等
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嵌入式数字信号处理器
应用于多媒体信号处理和各种带有智能 逻辑的消费类产品的处理器必须具有能 够执行数字信号处理算法和编译效率较 高的特性
指指标令集RISC和RC一ISI个CS周C期之执行间一主条指要令，的区指令别长度CI不SC固定，
通过简单指令的组合实现 执行需要多个周期
复杂操作，指令长度固定
流水线
流水线每周期前进一步
指令的执行需要调 用微代码的一个微 程序
寄存器
更多通用寄存器
专用寄存器
Load/Store结构 独立的Load和Store指令 处理器能够直接处 完成数据在寄存器和外部 理存储器中的数据
sys 使用和User模式相同寄存器集的 模式，运行特权级操作系统任务
3、寄存器组织 用户模式 系统模式 管理模式 中止模式 未定义指令中止模式 R0 R1
R2
R3
R4
R5
R6
R7
R8
R9
R10
R11
R12
R13
R13_svc R13_abt
R13_und
R14
R14_svc R14_abt
R14_und
备份程序状态寄存器（Saved Program Status Register，SPSR）在每种异常模式下都对应一 个物理寄存器，当有异常中断发生时，它用于 保存CPSR的内容，以便异常返回后恢复异常中 断发生前的工作状态。
代表性的DSP产品
TI公司的TMS320系列 Motorola公司的DSP5600系列
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嵌入式片上系统
从整个系统的功能和性能出发，用软硬 件结合的设计和验证方法，将微处理器 核和存储器等集成在单一芯片上。
SoC可分为2类
通用：Infineon公司的TriCore、Motorola公 司的M-Core，某些ARM系列器件及Echelon 公司和Motorola公司联合研制的Neuron芯片
1、ARM体系结构的特点
ARM内核采用RISC体系结构 主要特征：
大量的寄存器 Load/Store体系结构 每条指令都条件执行 多寄存器的Load/Store指令
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工用作户模模2式式、(UsAerR) M处简理u写sr器工作正常模程序式执行模式 描述
快速中断 模式 (FIQ)
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2.2.3 典型的嵌入式微处理器
ARM处理器 PowerPC处理器 FPGA（Field Programmable Gate Array
现场可编程门阵列） SoC（System on Chip）
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2.3 ARM体系结构和指令集
2.3.1 ARM公司简介 2.3.2 ARM系列微处理器 2.3.3 ARM体系结构和指令集
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2.2 嵌入式微处理器
2.2.1 嵌入式处理器的分类 2.2.2 嵌入式微处理器的选择原则 2.2.3 典型的嵌入式微处理器
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2.2.1 嵌入式处理器的分类
嵌入式微处理器MPU
嵌入式处理器
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嵌入式微控制器MCU 嵌入式DSP处理器
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NAND Flash
不能直接在Flash内运行应用程序，需要将数 据复制到RAM中运行。
读写操作采用512字节的块，成本低。 地址线、数据线共用。 内部数据以块为单位进行存储。 擦除速度快，以8~32KB的块为单位 容量大，适合数据存储。 每个块的最大可擦写次数超过100万次