嵌入式处理器体系结构
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▪半字加载/存储指令； ▪字节和半字的加载和符号扩展指令； ▪具有可以转换到Thumb状态的指令（BX）； ▪增加了用户模式寄存器的新的特权处理器模式。
ARM体系结构的发展
• 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：
ARM体系结构的发展
• ARM体系结构版本——V7
• ARMv7定义了3种不同的处理器配置 （processor profiles）:
UESTC
电子科技大学
嵌UE入STC式 系 电统子科设技大学计
第UE2ST章C 嵌入式处理器体系结构
电子科技大学
UESTC
电子科技大学
自动化工程学院
UESTC
处理器体系结构概述
(1)处理器设计的两种结构形式 CISC与RISC
(2)从计算机系统角度，强调访问存 储器的设计原则
冯·诺依曼结构与哈佛结构
Computer) 只包含最有用的指令，指令长度固定 确保数据通道快速执行每一条指令 使CPU硬件结构设计变得更为简单
处理器体系结构概述
CISC与RISC的Leabharlann Baidu比
类别
CISC
指令系统 指令数量很多
RISC 较少，通常少于100
执行时间 有些指令执行时间很长，如 没有较长执行时间的指令 整块的存储器内容拷贝；或 将多个寄存器的内容拷贝到 存储器
ARM体系结构的发展
• 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。
ARM体系结构的发展
ARM处理器的特点
ARM微处理器的特点
4. 高效的指令系统
➢ARM微处理器支持两种指令集：ARM指令集和 Thumb指令集。 ➢ARM指令为32位的长度，Thumb指令为16位长度。 Thumb指令集为ARM指令集的功能子集，但与等价的 ARM代码相比较，可节省30％～40％以上的存储空间， 同时具备32位代码的所有优点。
➢大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作， 只有加载/存储指令可以访问存储器，以提高指令的执 行效率。
ARM处理器的特点
ARM微处理器的特点
3. 大量使用寄存器
➢31个通用寄存器，包括程序计数器（PC 指针），均 为32位的寄存器；
➢6个状态寄存器，用以标识CPU的工作状态及程序的 运行状态，均为32位。
▪具有乘法和乘加指令； ▪支持协处理器； ▪快速中断模式中具有的两个以上的分组寄存器； ▪具有原子性加载/存储指令SWP和SWPB。
ARM体系结构的发展
• ARM体系结构版本——V4
不在为了与以前的版本兼容而支持26位体系结 构，并明确了哪些指令会引起未定义指令异常发 生，它相对V3版本作了以下的改进：
• SIMD扩展使得广大的软件应用如Video和 Audio codec的性能提高了4倍。
• Thumb-2和TrustZone 技术也用于ARMv6中。 ARMv6第一个实现是2002年春推出的 ARM1136J(F)-STM处理器，2003年又推出 了 ARM1156T2(F)-S 和ARM1176JZ(F)-S处理 器。
处理器体系结构概述
CISC和RISC
CISC：复杂指令集（Complex Instruction Set Computer）
具有大量的指令和寻址方式，指令长度可变 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 RISC：精简指令集（Reduced Instruction Set
ARM处理器的特点
ARM微处理器的特点
1. 低功耗、低成本、高性能
➢采用RISC指令集 ➢使用大量的寄存器 ➢ARM/THUMB指令支持 ➢流水线
ARM处理器的特点
ARM微处理器的特点
2. 采用RISC体系结构
➢固定长度的指令格式，指令归整、简单、基 本寻址 方式有2～3种；
➢使用单周期指令，便于流水线操作执行；
▪改进了ARM/Thumb状态之间的切换效率； ▪E---增强型DSP指令集,包括全部算法操作和16 位乘法操作； ▪J----支持新的JAVA,提供字节代码执行的硬件 和优化软件加速功能。
ARM体系结构的发展
• ARM体系结构版本——V6
• 2001年推出ARMv6，它在许多方面做了改进如 内存系统、异常处理和较好地支持多处理器。
处理器体系结构概述
冯·诺依曼体系结构
指令寄存器 控制器
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
处理器体系结构概述
哈佛体系结构
地址
指令寄存器
控制器
指令
数据通道
输入
输出
地址
CPU
数据
程序存储器
指令0 指令1 指令2
数据存储器
数据0 数据1 数据2
嵌入式微处理器
– 传统的微处理器采用的冯·诺依曼结构将指 令和数据存放在同一存储空间中，统一编址， 指令和数据通过同一总线访问。
– 哈佛结构则是不同于冯·诺依曼结构的一种 并行体系结构，其主要特点是程序和数据存 储在不同的存储空间中，即程序存储器和数 据存储器是两个相互独立的存储器，每个存 储器独立编制、独立访问。与之相对应的是 系统中设置的两条总线（程序总线和数据总 线），从而使数据的吞吐率提高了一倍。
• ARM体系结构版本——V2
同样为26位寻址空间，现在已经废弃不再使 用，它相对V1版本有以下改进：
▪具有乘法和乘加指令； ▪支持协处理器； ▪快速中断模式中的两个以上的分组寄存器； ▪具有原子性加载/存储指令SWP和SWPB。
ARM体系结构的发展
• ARM体系结构版本——V3
寻址范围扩展到32位（目前已废弃），具有独立的 程序：
编码长度 编码长度可变，1-15字节 编码长度固定，通常为4个字节
寻址方式 寻址方式多样
简单寻址
操作 编译
可以对存储器和寄存器进行 只能对寄存器进行算术和逻辑
算术和逻辑操作
操作，Load/Store体系结构
难以用优化编译器生成高效 采用优化编译技术，生成高效
的目标代码程序
的目标代码程序
处理器体系结构概述
ARM体系结构的发展
• 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：
ARM体系结构的发展
• ARM体系结构版本——V7
• ARMv7定义了3种不同的处理器配置 （processor profiles）:
UESTC
电子科技大学
嵌UE入STC式 系 电统子科设技大学计
第UE2ST章C 嵌入式处理器体系结构
电子科技大学
UESTC
电子科技大学
自动化工程学院
UESTC
处理器体系结构概述
(1)处理器设计的两种结构形式 CISC与RISC
(2)从计算机系统角度，强调访问存 储器的设计原则
冯·诺依曼结构与哈佛结构
Computer) 只包含最有用的指令，指令长度固定 确保数据通道快速执行每一条指令 使CPU硬件结构设计变得更为简单
处理器体系结构概述
CISC与RISC的Leabharlann Baidu比
类别
CISC
指令系统 指令数量很多
RISC 较少，通常少于100
执行时间 有些指令执行时间很长，如 没有较长执行时间的指令 整块的存储器内容拷贝；或 将多个寄存器的内容拷贝到 存储器
ARM体系结构的发展
• 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。
ARM体系结构的发展
ARM处理器的特点
ARM微处理器的特点
4. 高效的指令系统
➢ARM微处理器支持两种指令集：ARM指令集和 Thumb指令集。 ➢ARM指令为32位的长度，Thumb指令为16位长度。 Thumb指令集为ARM指令集的功能子集，但与等价的 ARM代码相比较，可节省30％～40％以上的存储空间， 同时具备32位代码的所有优点。
➢大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作， 只有加载/存储指令可以访问存储器，以提高指令的执 行效率。
ARM处理器的特点
ARM微处理器的特点
3. 大量使用寄存器
➢31个通用寄存器，包括程序计数器（PC 指针），均 为32位的寄存器；
➢6个状态寄存器，用以标识CPU的工作状态及程序的 运行状态，均为32位。
▪具有乘法和乘加指令； ▪支持协处理器； ▪快速中断模式中具有的两个以上的分组寄存器； ▪具有原子性加载/存储指令SWP和SWPB。
ARM体系结构的发展
• ARM体系结构版本——V4
不在为了与以前的版本兼容而支持26位体系结 构，并明确了哪些指令会引起未定义指令异常发 生，它相对V3版本作了以下的改进：
• SIMD扩展使得广大的软件应用如Video和 Audio codec的性能提高了4倍。
• Thumb-2和TrustZone 技术也用于ARMv6中。 ARMv6第一个实现是2002年春推出的 ARM1136J(F)-STM处理器，2003年又推出 了 ARM1156T2(F)-S 和ARM1176JZ(F)-S处理 器。
处理器体系结构概述
CISC和RISC
CISC：复杂指令集（Complex Instruction Set Computer）
具有大量的指令和寻址方式，指令长度可变 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 RISC：精简指令集（Reduced Instruction Set
ARM处理器的特点
ARM微处理器的特点
1. 低功耗、低成本、高性能
➢采用RISC指令集 ➢使用大量的寄存器 ➢ARM/THUMB指令支持 ➢流水线
ARM处理器的特点
ARM微处理器的特点
2. 采用RISC体系结构
➢固定长度的指令格式，指令归整、简单、基 本寻址 方式有2～3种；
➢使用单周期指令，便于流水线操作执行；
▪改进了ARM/Thumb状态之间的切换效率； ▪E---增强型DSP指令集,包括全部算法操作和16 位乘法操作； ▪J----支持新的JAVA,提供字节代码执行的硬件 和优化软件加速功能。
ARM体系结构的发展
• ARM体系结构版本——V6
• 2001年推出ARMv6，它在许多方面做了改进如 内存系统、异常处理和较好地支持多处理器。
处理器体系结构概述
冯·诺依曼体系结构
指令寄存器 控制器
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
处理器体系结构概述
哈佛体系结构
地址
指令寄存器
控制器
指令
数据通道
输入
输出
地址
CPU
数据
程序存储器
指令0 指令1 指令2
数据存储器
数据0 数据1 数据2
嵌入式微处理器
– 传统的微处理器采用的冯·诺依曼结构将指 令和数据存放在同一存储空间中，统一编址， 指令和数据通过同一总线访问。
– 哈佛结构则是不同于冯·诺依曼结构的一种 并行体系结构，其主要特点是程序和数据存 储在不同的存储空间中，即程序存储器和数 据存储器是两个相互独立的存储器，每个存 储器独立编制、独立访问。与之相对应的是 系统中设置的两条总线（程序总线和数据总 线），从而使数据的吞吐率提高了一倍。
• ARM体系结构版本——V2
同样为26位寻址空间，现在已经废弃不再使 用，它相对V1版本有以下改进：
▪具有乘法和乘加指令； ▪支持协处理器； ▪快速中断模式中的两个以上的分组寄存器； ▪具有原子性加载/存储指令SWP和SWPB。
ARM体系结构的发展
• ARM体系结构版本——V3
寻址范围扩展到32位（目前已废弃），具有独立的 程序：
编码长度 编码长度可变，1-15字节 编码长度固定，通常为4个字节
寻址方式 寻址方式多样
简单寻址
操作 编译
可以对存储器和寄存器进行 只能对寄存器进行算术和逻辑
算术和逻辑操作
操作，Load/Store体系结构
难以用优化编译器生成高效 采用优化编译技术，生成高效
的目标代码程序
的目标代码程序
处理器体系结构概述