基于ARM的处理器体系结构

CISC与RISC
• CISC (Complex Instruction Set Computer) 复杂指令集计算机 – 处理器在分析每一条指令之后执行一系列初级指令运算来完 成所需的功能 – 一般CISC计算机所含的指令数目至少300条以上，有的甚至 超过500条 – 采用CISC结构的计算机数据线和指令线是分时复用的，即所 谓的冯.诺依曼结构 • RISC (Riduced Instruction Set Computer) 精简指令集计算机 – 采用RISC结构的单片机数据线和指令线分离，即所谓的哈佛 结构 – 计算机指令多为单字节，程序存储器的空间利用率大大提高， 有利于实现超小型化
课程大纲
嵌入式处理器及其体系结构
ARM处理器
XScale体系结构
PXA系列处理器
冯.诺依曼和哈佛体系结构
冯· 诺依曼型计算机
冯· 诺依曼型计算机组成结构
• 处理器使用同一个存储 器，经由同一个总线传 输。 • 完成一条指令需要3个 步骤，即：取指令、指 令译码和执行指令 • 指令和数据共享同一总 线的结构
基于指令集体系结构的分类版本
• V5版架构：ARM10 和XScale都采用该版架构。 新增指令有：带有连接和交换的转移BLX指令； 计数前导零CLZ指令；BBK中断指令；增建了数 字信号处理指令；为协处理器增加了更多可选择 的指令。 • V6版架构：是在低功耗的同时，还强化了图形处 理性能，追加有效进行多媒体处理的SIMD功能。 于2002年推出，ARM11 采用该架构，具体新 增加了以下功能：THUMBTM -35% 代码压缩； DSP扩充-高性能定点DSP功能；JazelleTMJava性能优化，可提高8倍；Media扩充-音/视 频性能优化，可提高4倍。另外还支持多微处理 器内核。
ARM微处理器系列产品及性能简 介
1 ）系列产品分类 ARM处理器当前有5个产品系列：ARM7、 ARM9、ARM9E、ARM10和ARM11。进一步的 产品来自于合作伙伴，例如Intel Xscale微体系结 构和产品。 ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10是4个通用处 理器系列。每个系列提供一套特定的性能来满足设 计者对功耗、性能和体积的需求。 ARM11是第5个产品系列，是专门为安全设备而 设计的。性能高达1.2MIPS（Xscale微体系结构）， 功耗测量为μ W/MHz，并且所有体系结构兼容。
课程源自文库纲
嵌入式处理器及其体系结构
ARM处理器
XScale体系结构
PXA系列处理器
基于ARM架构的嵌入式微处理 器
在多媒体技术、网络互连和开放操作系统等方面的 应用，是8位机体系结构所难以逾越的障碍，也就正 好成为选择32位嵌入式系统的主要理由。 所有的ARM芯片在内核上保持高度的兼容性，这 样在学习和开发嵌入式系统中就可以使用通用的开 发、调试工具。 目前ARM CPU内核里面都有一个Embedded ICE 逻辑模块，用于采集CPU总线信号，而对 Embedded ICE以及CPU执行单元的通信是通过扫 描线来进行的，所有的扫描线都受到测试访问控制 端口（TAP）控制，并通过芯片与JTAG接口连接， 故可保持不同CPU之间的接口控制的兼容性。调试 工具只要支持TAP端口访问，就能进行ARM的系统 调试。
基于指令集体系结构的分类版本
• V3版架构: V3架构对ARM体系结构作了较大的 改动，把寻址空间增至32位，增加了当前程序状 态寄存器CPSR和存储程序状态寄存器SPSR，以 便增强对异常情况的处理。增加了中止和未定义 二种处理模式。ARM6就是采用该版架构。 • V4版架构: 它在V3版架构上作了进一步扩充， 使ARM使用更加灵活。ARM7、ARM8、 ARM9 都采用该版结构。增加功能有符号化和 半符号化半字及符号化字节的存取指令；增加了 16位的Thumb指令集；完善了软件中断SWI指 令的功能；处理器系统模式引进特权方式时使用 用户寄存器操作；把一些未使用的指令空间扑获 为未定义指令。
哈佛体系结构
• 哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分 开的存储器结构。 • 中央处理器首先到程序指令存储器中读取程序 指令内容，解码后得到数据地址，再到相应的 数据存储器中读取数据，并进行下一步的操作 （通常是执行）。 • 程序指令存储和数据存储分开，可以使指令和 数据有不同的数据宽度，如Microchip公司的 PIC16芯片的程序指令是14位宽度，而数据是 8位宽度。
32位体系结构的性能优势
（3）操作系统的支持 如果某个系统需要有多任务的调度、图形 化的人机界面、文件管理系统、网络协议等 需求，那么就必须使用嵌入式操作系统。一 般复杂的操作系统在多进程管理中还需要有 硬件存储器保护单元（MPU）或管理单元 （MMU）的支持。目前ARM9以上的微处 理器均有这些支持，可运行Linux、Win CE 和VxWorks等众多操作系统。
32位体系结构的性能优势
（1）寻址空间大 在ARM的体系结构里，所有的资 源，如存储器、控制寄存器、I/O端口等都是在有 效地址空间内采用统一编址的，方便了程序在不同 处理器间的移植。 （2）运算和数据处理强 采用了先进的CPU设计理 念、多总线接口（哈佛结构）、多级流水线、高速 缓存、数据处理增强等技术，这样几乎所有的通信 协议栈都能在32位CPU中轻松实现。使得C、C++、 Java等高级语言得到了广泛的应用空间。另外多数 的微处理器都包含有DMA控制器，这样就进一步 提高了整个芯片的数据能力。
基于指令集体系结构的分类版本
ARM架构处理器定义了6种不同的版本：
• V1 版架构: 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64MB（226 ）。 • V2 版架构: 在V1版上进行了扩充，例如ARM2 和ARM3架构，并增加了以下功能：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的基本存储器与寄存器交换指令； 寻址空间64MB。