chapter_2_ARM7体系结构
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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
30.11.2020
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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。
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。
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。
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；
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%
; 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
30.11.2020
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处理器状态
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
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。
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pagwk.baidu.com 14
ARM处理器模式
ARM体系结构支持7种处理器模式，分别为： 用户模式、快中断模式、中断模式、管理模式、 中止模式、未定义模式和系统模式。这样的好处 是可以更好的支持操作系统并提高工作效率。
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
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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
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。
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三级流水线结构的指令执行顺序
PC PC-8 PC-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。
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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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
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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
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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。
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。
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。
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；
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?
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; 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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处理器状态
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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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。
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ARM处理器模式
ARM体系结构支持7种处理器模式，分别为： 用户模式、快中断模式、中断模式、管理模式、 中止模式、未定义模式和系统模式。这样的好处 是可以更好的支持操作系统并提高工作效率。
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
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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
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。
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三级流水线结构的指令执行顺序
PC PC-8 PC-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。
第2章 ARM7体系结构
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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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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