嵌入式系统应用与开发第二章ARM架构

3.多处理器状态模式
ARM可以支持用户、快中断、中断、 管理、中止、系统和未定义等七种处理 器模式，除了用户模式外，其余的均为 特权模式。这也是ARM的特色之一，可以 大大提高ARM处理器的效率。
表2.2 ARM version4 processor modes
4.嵌入式在线仿真调试
ARM架构的处理器芯片都嵌入了在线 仿真ICE—RT逻辑，便于通过了JTAG来仿 真调试ARM架构芯片。另外，在处理器核 中还可以嵌入跟踪宏单元ETM（Embedded Trace Macrocell），用于监控内部总线 ，实时跟踪指令和数据的执行。
ARM10E系列微处理器主要应用于下一代 无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制 、通信和信息系统等领域。包含ARM1020E、 ARM1022E和ARM1026EJ-S三种类型。
ARM10E系列微处理器的主要特点如下： •支持DSP指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合。 •6级整数流水线，指令执行效率更高。 •支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。 •支持32位的高速AMBA总线接口。 •支持VFP10浮点处理协处理器。 •全性能的MMU，支持Windows CE、Linux、Palm OS等多 种主流嵌入式操作系统。
ARM7系列微处理器包括如下几种类型的 核：ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T 、ARM7EJ。
其中ARM7TMDI是目前使用最广泛的32位 嵌入式RISC处理器，属低端ARM处理器核。
内核后缀TDMI的基本含义为： T： 支持16为压缩指令集Thumb； D： 支持片上Debug； M：内嵌硬件乘法器（Multiplier） I： 嵌入式ICE，支持片上断点和调
小知识：RISC体系结构
传统的CISC（Complex Instruction Set Computer，复杂指令集计算机）结构越来越复 杂。在CISC指令集的各种指令中，其使用频率 却相差悬殊，大约有20％的指令会被反复使用 ，占整个程序代码的80％。而余下的80％的指 令却不经常使用，在程序设计中只占20％，显 然，这种结构是不太合理的。
• 对操作系统的支持广泛，包括Windows CE、 Linux、Palm OS等。
• 指令系统与ARM9系列、ARM9E系列和 ARM10E系列兼容，便于用户的产品升级换代 。
• 主频最高可达130MIPS，高速的运算处理能力 能胜任绝大多数的复杂应用。
ARM7系列微处理器的主要应用领域为： 工业控制、Internet设备、网络和调制解调器设 备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。
小知识：RISC体系结构（续四）
RISC体系结构应具有如下特点： • 采用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。 • 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。
现代的CPU往往采用CISC的外围，内部加 入了RISC的特性，如超长指令集CPU就是融合 了RISC和CISC的优势，成为未来的CPU发展 方向之一。
·符号化和非符号化半字及符号化字节的存/取指令
·增加了16位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捕获为未定义指令
5. V5版架构 这是最近推出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：
2. Thumb指令集
由于RISC型处理器的指令功能相对比较弱， ARM为了弥补此不足，在新型ARM架构（V4T版以 上）定义了16位的Thumb指令集。Thumb指令集比 通常的8位和16位CISC/RISC处理器具有更好的代 码密度，而芯片面积只增加6%。可以使程序存储 器更加小。
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。
令 ·寻址空间：64M字节
3. V3版架构
V3版架构对ARM体系结构作为较大的改动,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(Current Program Status Register)和程序状态 保存寄存器SPSR(Saved Program Status Register)以 便于异常(Exception)的处理。增加了中止(Abort)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：
试点；
处理器后缀的含义
S：可综合的软核Softcore
E：具有DSP的功能
J：Jazeller,允许直接执行Java字节码
2. ARM9微处理器系列
ARM9系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提 供最佳的性能。具有以下特点： • 5级整数流水线，指令执行效率更高。 • 提供1.1MIPS/MHz的哈佛结构。 • 支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。 • 支持32位的高速AMBA总线接口。 • 全性能的MMU，支持Windows CE、Linux、Palm OS 等多种主流嵌入式操作系统。 • MPU支持实时操作系统。 • 支持数据Cache和指令Cache，具有更高的指令和数据 处理能力。
小知识：RISC体系结构（续二）
表2.1 典型指令使用频度
指令类型
使用指令使用频度
数据传送类
43%
转/跳控制类
23%
算术运算类
15%
比较类
13%
逻辑运算类
5%
其他
1%
小知识：RISC体系结构（续三）
1979年美国加州大学伯克利分校提出了 RISC（Reduced Instruction Set Computer，精简 指令集计算机）的概念，RISC并非只是简单地 去减少指令，而是把着眼点放在了如何使计算 机的结构更加简单合理地提高运算速度上。 RISC结构优先选取使用频最高的简单指令，避 免复杂指令；将指令长度固定，指令格式和寻 地方式种类减少；以控制逻辑为主，不用或少 用微码控制等措施来达到上述目的。
•支持数据Cache和指令Cache，具有更高的指令和数据处理 能力
•主频最高可达400MIPS。 •内嵌并行读/写操作部件。
2.4 ARM架构
ARM架构由32位ALU、31个32位通用 寄存器及6位状态寄存器、32×8位乘法 器、32×32位桶形移位寄存器、指令译 码及控制逻辑、指令流水线和数据/地址 寄存器组成。
5.灵活和方便的接口
ARM架构具有协处理器接口，允许接16个 协处理器。
ARM处理器核还具有片上总线OCB的AMBA。 AMBA定义了三组总线：先进高性能总线AHB、 先进系统总线ASB和先进外围总线APB。通过 AMBA来方便扩充各种处理器及I/O，可以把DSP 、其他处理器和I/O（如VART、定时器和接口 等）都集成在一块芯片中。
图2.1 ARM架构图
1. ALU算术逻辑运算单元
ALU是处理器核心的中心处理部分， 实现对数据进行运算处理。由二个操作 数锁存器、加法器、逻辑功能、结果及 零检测逻辑构成。
图2.2 ALU逻辑框图
2. Barrel shifter 桶形移位寄存器
为了减少移位的延迟时间，ARM采用 了32×32位的桶形移位寄存器。这样，可 以使左移/右移n位、环移n位和算术右移 n位等都可以一次完成 。
6.低电压低功耗的设计 ARM架构的设计采用了以下一些措施：
• 降低电源电压，可工作在3.0V以下。 • 减少门的翻转次数，当某个功能电路不
需要时禁止门翻转。 • 减少门的数目，即降低芯片的集成度。 • 降低时钟频率
2.3 ARM的分类
ARM微处理器目前包括下面几个系列，以 及其它厂商基于ARM体系结构的处理器，
·带有链接和交换的转移BLX指令 ·计数前导零CLZ指令 ·BRK中断指令 ·增加了信号处理指令(V5TE版) ·为协处理器增加更多可选择的指令
2.2 ARM架构的特点
1. RISC(Reduced Instruction Set Computer) 型处 理器结构
• 尽量减少复杂功能指令 • 每条指令在单机器周期内执行 • 每条指令都是32bit，具有多种操作功能 • 访问存储空间指令采用LOAD/STORE结构 • 采用cache来提高存/取速度 • 多寄存器结构
1. V1版架构 该版架构只在原型机ARM1出现过,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(226)
2. V2版架构 该版架构对V1版进行了扩展,如ARM2与
ARM3(V2a版)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的最基本存储器与寄存器交换指
ARM9系列微处理器主要应用于下一代无 线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、 存储设备和网络设备等领域。ARM9E系列微 处理器包含ARM926EJ-S、ARM946E-S和
ARM9E系列微处理器的主要特点如下： •支持DSP指令集，适合于需要高速数字信号处理的场 合。
•5级整数流水线，指令执行效率更高。 •支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。 •支持32位的高速AMBA总线接口
•支持VFP9浮点处理协处理器。
•全性能的MMU，支持Windows CE、Linux、 Palm OS等多种主流嵌入式操作系统。
•MPU支持实时操作系统。
•支持数据Cache和指令Cache，具有更高的指令 和数据处理能力。
•主频最高可达300MIPS。
4. ARM10E微处理器系列
ARM10E系列具有高性能、低功耗的特点 ，由于采用了新的体系结构，与同等的ARM9 器件相比较，在同样的时钟频率下，性能提高 了近50％，同时，ARM10E系列微处理器采用 了两种先进的节能方式，使其功耗极低。
图2.3 4×4位桶形移位寄存器示意图
嵌入式系统应用与开发第二 章ARM架构
2.1 ARM架构的发展
ARM公司(Advanced RISC Machines Limited)正式成立于1990年。目前,ARM 架构处理器已在高性能、低功耗、低成 本的嵌入式应用领域占据领先地位，已 占有75%左右的市场。
ARM架构自诞生至今,已经发生了很 大的演变,至今已定义5种不同的版本：
ARM9系列微处理器主要应用于无 线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒 、高端打印机、数字照相机和数字摄像 机等。
ARM9系列微处理器包含ARM920T 、ARM922T和ARM940T三种类型，以适 用于不同的应用场合。
3. ARM9E微处理器系列
ARM9E系列微处理器为可综合处理器， 使用单一的处理器内核提供了微控制器、DSP 、Java应用系统的解决方案，极大的减少了芯 片的面积和系统的复杂程度。ARM9E系列微 处理器提供了增强的DSP处理能力，很适合于 那些需要同时使用DSP和微控制器的应用场合 。
－ ARM7系列 － ARM9系列 － ARM9E系列 － ARM10E系列 － SecurCore系列 － Intel的Xscale － Intel的StrongARM
1. ARM7微处理器系列
ARM7系列微处理器为低功耗的32位RISC处 理器，最适合用于对价位和功耗要求较高的消 费类应用。ARM7微处理器系列特点： • 具有嵌入式ICE－RT逻辑，调试开发方便。 • 极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用。 • 能够提供0.9MIPS/MHz的三级流水线结构。 • 代码密度高并兼容16位的Thumb指令集。
·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。
4. 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：