1、本章將對ARM技術(shù)進行全面論述，通過本章的學(xué)習(xí)，使大家對ARM技術(shù)有個全面的了解和掌握，建立起以ARM技術(shù)為基礎(chǔ)的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用和以ARM核為基礎(chǔ)的嵌入式SoC芯片設(shè)計的技術(shù)基礎(chǔ)。 一 3.1 ARM體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史和技術(shù)特征一 3.3 Thumb技術(shù)介紹一 3.2 ARM體系結(jié)構(gòu)不同版本的發(fā)展概述一 3.4 ARM處理器工作狀態(tài)一 3.5 ARM處理器工作模式一 3.6 ARM寄存器組成一 3.7 ARM異常中斷一 3.8 ARM組織結(jié)構(gòu)簡介一 3.9 ARM存儲器接口及存儲器層次一 3.10 ARM協(xié)處理器一 3.11 ARM片上總線AMBA一 3.12 ARM的調(diào)試結(jié)構(gòu) 一 3.13

2、ARM核綜述一 3.14 基于ARM核的芯片選擇 一 3.1.1 ARM3.1.1 ARM發(fā)展的歷程發(fā)展的歷程一 3.1.2 ARM3.1.2 ARM體系結(jié)構(gòu)的技術(shù)特征體系結(jié)構(gòu)的技術(shù)特征 最近最近1010多年來多年來ARMARM技術(shù)的突出成果表現(xiàn)在：技術(shù)的突出成果表現(xiàn)在： 使用使用“ThumbThumb的新型壓縮指令格式，使得應(yīng)用系的新型壓縮指令格式，使得應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)可降低系統(tǒng)成本和功耗；統(tǒng)開發(fā)可降低系統(tǒng)成本和功耗； ARM9ARM9、ARM10ARM10、Strong-ARMStrong-ARM和和ARM11ARM11等系列處理器的等系列處理器的開發(fā)，顯著地提高了開發(fā)，顯著地提高了ARMAR

3、M的性能，使得的性能，使得ARMARM技術(shù)在面向技術(shù)在面向高端數(shù)字音、視頻處理等多媒體產(chǎn)品的應(yīng)用中更加廣高端數(shù)字音、視頻處理等多媒體產(chǎn)品的應(yīng)用中更加廣泛；泛； 更好的軟件開發(fā)和調(diào)試環(huán)境，加快用戶產(chǎn)品開發(fā)；更好的軟件開發(fā)和調(diào)試環(huán)境，加快用戶產(chǎn)品開發(fā)； 更為廣泛的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟使得基于更為廣泛的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟使得基于ARMARM的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域更加廣闊；域更加廣闊； 嵌入在復(fù)雜嵌入在復(fù)雜SoCSoC中、基于中、基于ARMARM核的調(diào)試系統(tǒng)代表著當核的調(diào)試系統(tǒng)代表著當今片上調(diào)試技術(shù)的前沿。今片上調(diào)試技術(shù)的前沿。 第一片ARM處理器是1983年10月到1985年4月間在位于英國劍橋的Acorn Co

4、mputer公司開發(fā) 。 1990年，為廣泛推廣ARM技術(shù)而成立了獨立的公司 。 20世紀90年代， ARM快速進入世界市場 。 在ARM的發(fā)展歷程中，從ARM7開始，ARM核被普遍認可和廣泛使用 。 2019年 StrongARM 問世 。 XScale是下一代StrongARM芯片的發(fā)展基礎(chǔ) 。 ARM10TDMI是ARM處理器核中的高端產(chǎn)品 。 ARM11是ARM家族中性能最強的一個系列 。ARM技術(shù)還將不斷發(fā)展。在嵌入式領(lǐng)域，技術(shù)還將不斷發(fā)展。在嵌入式領(lǐng)域，ARM已取得了極大的成功，造就了已取得了極大的成功，造就了IP核商業(yè)化、核商業(yè)化、市場化的神話，迄今為止，還沒有任何商業(yè)化的市場化

5、的神話，迄今為止，還沒有任何商業(yè)化的IP核交易和使用達到核交易和使用達到ARM的規(guī)模。據(jù)最新統(tǒng)計，全球的規(guī)模。據(jù)最新統(tǒng)計，全球有有103家巨型家巨型IT公司在采用公司在采用ARM技術(shù)，技術(shù)，20家最大家最大的半導(dǎo)體廠商中有的半導(dǎo)體廠商中有19家是家是ARM的用戶，包括德州的用戶，包括德州儀器，意法半導(dǎo)體，儀器，意法半導(dǎo)體，Philips，Intel等。等。ARM系系列芯片已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于移動電話、手持式計算列芯片已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于移動電話、手持式計算機以及各種各樣的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域，成為世界上銷機以及各種各樣的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域，成為世界上銷量最大的量最大的32位微處理器。位微處理器。 ARM的體

6、系結(jié)構(gòu)采用了若干Berkeley RISC處理器設(shè)計中的特征 Load/store體系結(jié)構(gòu)固定的32位指令3地址指令格式 也放棄了其它若干Berkeley RISC特征寄存器窗口 延遲轉(zhuǎn)移 所有的指令單周期執(zhí)行 一3.2.1 ARM體系結(jié)構(gòu)的基本版本一3.2.2 ARM體系結(jié)構(gòu)的演變一3.2.3 ARM體系結(jié)構(gòu)的命名規(guī)則 版本1，本版本包括下列指令： 乘法指令之外的基本數(shù)據(jù)處理指令；基于字節(jié)，字和多字的存儲器訪問操作指令Load/Store）；子程序調(diào)用指令BL在內(nèi)的跳轉(zhuǎn)指令；完成系統(tǒng)調(diào)用的軟件中斷指令SWI。 版本2 ，與版本1相比版本22a增加了下列指令：乘和乘加指令；支持協(xié)處理器的指令；

7、對于FIQ模式，提供了額外的影子寄存器；SWP指令及SWPB指令。 版本3較以前的版本發(fā)生了大的變化地址空間擴展到了32位，但除了版本3G外的其他版本是向前兼容的，也支持26位的地址空間；分開的當前程序狀態(tài)寄存器CPSRCurrent Program Status Register和備份的程序狀態(tài)寄存器SPSRSaved Program Status Register），SPSR用于在程序異常中斷時保存被中斷的程序狀態(tài)；增加了兩種異常模式，使操作系統(tǒng)代碼可以方便地使用數(shù)據(jù)訪問中止異常、指令預(yù)取中止異常和未定義指令異常；增加了MRS指令和MSR指令用于完成對CPSR和SPSR寄存器的讀寫。修改了

8、原來的從異常中返回的指令。版本版本4 4與版本與版本3 3相比，版本相比，版本4 4增加了下列指令增加了下列指令有符號、無符號的半字和有符號字節(jié)的有符號、無符號的半字和有符號字節(jié)的loadload和和storestore指令。指令。增加了增加了T T變種，處理器可以工作于變種，處理器可以工作于ThumbThumb狀態(tài)，狀態(tài)，在該狀態(tài)下的指令集是在該狀態(tài)下的指令集是1616位的位的ThumbThumb指令集。指令集。增加了處理器的特權(quán)模式。在該模式下，使用增加了處理器的特權(quán)模式。在該模式下，使用的是用戶模式下的寄存器。的是用戶模式下的寄存器。 版本5主要由兩個變型版本5T、5TE組成 相比與版本

9、4，版本5的指令集有了如下的變化： 提高了T變種中ARM/Thumb混合使用的效率。增加前導(dǎo)零記數(shù)CLZ指令，該指令可使整數(shù)除法和中斷優(yōu)先級排隊操作更為有效；增加了BKPT軟件斷點指令；為協(xié)處理器設(shè)計提供了更多的可供選擇的指令；更加嚴格地定義了乘法指令對條件碼標志位的影響。 ARM體系版本6是2019年發(fā)布的。新架構(gòu)v6在降低耗電量的同時還強化了圖形處理性能。通過追加有效進行多媒體處理的SIMD功能，將語音及圖像的處理功能提高到了原機型的4倍。ARM體系版本6首先在2019年春季發(fā)布的ARM11處理器中使用。除此之外，v6還支持多微處理器內(nèi)核。 ARM體系結(jié)構(gòu)總結(jié) 核體系結(jié)構(gòu)ARM1V1ARM

10、2V2ARM2aS，ARM3V2aARM6，ARM600，ARM610V3ARM7，ARM700，ARM710V3ARM7TDMI，ARM710T，ARM720T ARM740TV4TStrong ARM，ARM8，ARM810V4ARM9TDMI，ARM920T，ARM940TV4TARM9E-SV5TEARM10TDMI，ARM1020EV5TEARM11，ARM1156T2-S，ARM1156T2F-S，ARM1176JZ-S，ARM11JZF-SV6 1Thumb指令集T變種） Thumb指令集是把32位的ARM指令集的一個子集重新編碼后而形成的一個特殊的16位的指令集 2長乘指令M變

11、種） 長乘指令是一種生成64位相乘結(jié)果的乘法指令此指令為ARM指令），M變種增加了兩條長乘指令 3增強型DSP指令E變種） E變種的ARM體系增加了一些增強處理器對典型的DSP算法處理能力的附加指令。4Java加速器JazelleJ變種） ARM的Jazelle技術(shù)是Java語言和先進的32位RISC芯片完美結(jié)合的產(chǎn)物 。5ARM媒體功能擴展SIMD變種） 表示ARM/Thumb體系版本的命名格式的ARM/Thumb體系版本由下面幾部分組成的： 基本字符串ARMv?；咀址鬄锳RM指令集版本號，目前是1-6的數(shù)字字符。ARM指令集版本號后為表示所含變種的字符。由于在ARM體系版本4以后，M

12、變種成為系統(tǒng)的標準部件，所以字符M通常也不單獨列出來。最后使用的字符x表示排除某種功能。 ARM的RISC體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展中已經(jīng)提供了低功耗、小體積、高性能的方案。而為了解決代碼長度的問題，ARM體系結(jié)構(gòu)又增加了變種，開發(fā)了一種新的指令體系，這就是Thumb指令集，它是ARM技術(shù)的一大特色。 3.3.1Thumb的技術(shù)概述3.3.2Thumb的技術(shù)實現(xiàn)3.3.3Thumb技術(shù)的特點 Thumb是ARM體系結(jié)構(gòu)的擴展。它有從標準32位ARM指令集抽出來的36條指令格式，可以重新編成16位的操作碼。這能帶來很高的代碼密度 ARM7TDMI是第一個支持Thumb的核，支持Thumb的核僅僅是ARM體系

13、結(jié)構(gòu)的一種發(fā)展的擴展，所以編譯器既可以編譯Thumb代碼，又可以編譯ARM代碼 支持Thumb的ARM體系結(jié)構(gòu)的處理器狀態(tài)可以方便的切換、運行到Thumb狀態(tài)，在該狀態(tài)下指令集是16位的Thumb指令集 。在性能和代碼大小之間取得平衡，在需要較低的存儲代碼時采用Thumb指令系統(tǒng)，但有比純粹的16位系統(tǒng)有較高的實現(xiàn)性能，因為實際執(zhí)行的是32位指令，用Thumb指令編寫最小代碼量的程序，卻取得以ARM代碼執(zhí)行的最好性能 與ARM指令集相比Thumb指令集具有以下局限 完成相同的操作，Thumb指令通常需要更多的指令，因此在對系統(tǒng)運行時間要求苛刻的應(yīng)用場合ARM指令集更為適合；Thumb指令集沒有

14、包含進行異常處理時需要的一些指令，因此在異常中斷時，還是需要使用ARM指令，這種限制決定了Thumb指令需要和ARM指令配合使用。 ARM處理器核可以工作在以下2種狀態(tài)1） ARM狀態(tài)32位，ARM狀態(tài)下執(zhí)行字對準的32位ARM指令；2Thumb狀態(tài)16位，Thumb狀態(tài)下執(zhí)行半字對準的16位Thumb指令。在Thumb狀態(tài)下，程序計數(shù)器PC使用位1選擇另一個半字。 在程序執(zhí)行的過程中，處理器可以在兩種狀態(tài)下切換 。ARM和Thumb之間狀態(tài)的切換不影響處理器的模式或寄存器的內(nèi)容。ARM指令集和Thumb指令集都有相應(yīng)的狀態(tài)切換命令。ARM處理器在開始執(zhí)行代碼時，只能處于ARM狀態(tài)。 ARMA

15、RM處理器在兩種工作狀態(tài)之間切換方法：處理器在兩種工作狀態(tài)之間切換方法：進入進入ThumbThumb狀態(tài)：狀態(tài)：當操作數(shù)寄存器當操作數(shù)寄存器RmRm的狀態(tài)位的狀態(tài)位bitbit0 0為為1 1時，執(zhí)時，執(zhí)行行BX RmBX Rm指令進入指令進入ThumbThumb狀態(tài)指令詳細介紹見第三狀態(tài)指令詳細介紹見第三章）。如果處理器在章）。如果處理器在ThumbThumb狀態(tài)進入異常，則當異常狀態(tài)進入異常，則當異常處理處理IRQIRQ，F(xiàn)IQFIQ，UndefUndef，AbortAbort和和SWISWI返回時，自返回時，自動切換到動切換到ThumbThumb狀態(tài)。狀態(tài)。進入進入ARMARM狀態(tài)：狀態(tài)

16、：當操作數(shù)寄存器當操作數(shù)寄存器RmRm的狀態(tài)位的狀態(tài)位bitbit0 0為為0 0時，執(zhí)時，執(zhí)行行BX RmBX Rm指令進入指令進入ARMARM狀態(tài)。如果處理器進行異常處狀態(tài)。如果處理器進行異常處理理IRQIRQ，F(xiàn)IQFIQ，UndefUndef，AbortAbort和和SWISWI），在此情況下，），在此情況下，把把PCPC放入異常模式鏈接寄存器放入異常模式鏈接寄存器LRLR中，從異常向量地中，從異常向量地址開始執(zhí)行也可以進入址開始執(zhí)行也可以進入ARMARM狀態(tài)。狀態(tài)。 CPSR當前程序狀態(tài)寄存器的低5位用于定義當前操作模式 , 如圖示：除用戶模式外的其他6種模式稱為特權(quán)模式 。特權(quán)模式

17、中除系統(tǒng)模式以外的5種模式又稱為異常模式，即 ：FIQFast Interrupt Request）IRQInterrupt ReQuest）SVCSupervisor）中止Abort）未定義Undefined）一3.6.1ARM寄存器組成概述一3.6.2ARM狀態(tài)下的寄存器組織一3.6.3Thumb狀態(tài)下的寄存器組織 ARM處理器總共有處理器總共有37個寄存器，可以分為以個寄存器，可以分為以下兩類寄存器下兩類寄存器 ： 1） 31個通用寄存器個通用寄存器 ： R0R15； R13_svc、R14_svc； R13_abt、R14_abt； R13_und、R14_und； R13_irq、R

18、14_irq； R8_frq-R14_frq。 26個狀態(tài)寄存器個狀態(tài)寄存器 CPSR；SPSR_svc、SPSR_abt、SPSR_und、SPSR_irq和和SPSR_fiq 。1ARM狀態(tài)的寄存器簡介：ARM狀態(tài)下的寄存器組織：2) ARM狀態(tài)的通用寄存器 不分組寄存器The unbanked registers）R0R7 分組寄存器The banked registers）：R8R14 程序計數(shù)器：R15PC） 不分組寄存器不分組寄存器R0R7 R0R7 R0R7R0R7是不分組寄存器。這意味著在所有處理器是不分組寄存器。這意味著在所有處理器模式下，它們每一個都訪問的是同一個物理寄存模

19、式下，它們每一個都訪問的是同一個物理寄存器。它們是真正并且在每種狀態(tài)下都統(tǒng)一的通用器。它們是真正并且在每種狀態(tài)下都統(tǒng)一的通用寄存器。寄存器。 未分組寄存器沒有被系統(tǒng)用于特別的用途，任未分組寄存器沒有被系統(tǒng)用于特別的用途，任何可采用通用寄存器的應(yīng)用場合都可以使用未分何可采用通用寄存器的應(yīng)用場合都可以使用未分組寄存器，但必須注意對同一寄存器在不同模式組寄存器，但必須注意對同一寄存器在不同模式下使用時的數(shù)據(jù)保護下使用時的數(shù)據(jù)保護 。分組寄存器分組寄存器R8-R14 R8-R14 ：分組寄存器分組寄存器R8-R12R8-R12：FIQFIQ模式分組寄存器模式分組寄存器R8R12 R8R12 。FIQF

20、IQ以外的分組寄存器以外的分組寄存器R8R12 R8R12 。分組寄存器分組寄存器R13R13、R14R14寄存器寄存器R13R13通常用做堆棧指針通常用做堆棧指針SP SP 。寄存器寄存器R14R14用作子程序鏈接寄存器用作子程序鏈接寄存器Link Link RegisterRegisterLRLR），也稱為），也稱為LRLR。 程序計數(shù)器程序計數(shù)器R15 R15 ：寄存器寄存器R15R15被用作程序計數(shù)器，也稱為被用作程序計數(shù)器，也稱為PC PC 。R15R15值的改變將引起程序執(zhí)行順序的變化，值的改變將引起程序執(zhí)行順序的變化，這有可能引起程序執(zhí)行中出現(xiàn)一些不可預(yù)這有可能引起程序執(zhí)行中出現(xiàn)

21、一些不可預(yù)料的結(jié)果料的結(jié)果 。ARMARM處理器采用多級流水線技術(shù)，因此保處理器采用多級流水線技術(shù)，因此保存在存在R15R15的程序地址并不是當前指令的地的程序地址并不是當前指令的地址址 。一些指令對于一些指令對于R15R15的用法有一些特殊的要的用法有一些特殊的要求求 。3)ARM3)ARM程序狀態(tài)寄存器程序狀態(tài)寄存器所有處理器模式下都可以訪問當前的程序狀所有處理器模式下都可以訪問當前的程序狀態(tài)寄存器態(tài)寄存器CPSRCPSR。CPSRCPSR包含條件碼標志、中斷禁止包含條件碼標志、中斷禁止位、當前處理器模式以及其它狀態(tài)和控制信息。位、當前處理器模式以及其它狀態(tài)和控制信息。在每種異常模式下都有

22、一個對應(yīng)的物理寄存在每種異常模式下都有一個對應(yīng)的物理寄存器器程序狀態(tài)保存寄存器程序狀態(tài)保存寄存器SPSRSPSR。當異常出現(xiàn)時，。當異常出現(xiàn)時，SPSRSPSR用于保存用于保存CPSRCPSR的狀態(tài)，以便異常返回后恢復(fù)的狀態(tài)，以便異常返回后恢復(fù)異常發(fā)生時的工作狀態(tài)。異常發(fā)生時的工作狀態(tài)。 CPSR和SPSR的格式 Thumb狀態(tài)下的寄存器集是ARM狀態(tài)下寄存器集的子集。程序員可以直接訪問8個通用的寄存器R0R7），程序計數(shù)器PC、堆棧指針SP、程序鏈接寄存器LR和當前狀態(tài)寄存器CPSR。每一種特權(quán)模式都各有一組SP，LR和SPSR。 在ARM體系結(jié)構(gòu)中，異常中斷用來處理軟件中斷、未定義指令陷阱

23、它不是真正的“意外事件及系統(tǒng)復(fù)位功能它在邏輯上發(fā)生在程序執(zhí)行前而不是在程序執(zhí)行中，盡管處理器在運行中可能再次復(fù)位和外部事件，這些“不正常事件都被劃歸“異常”，因為在處理器的控制機制中，它們都使用同樣的流程進行異常處理。 ARM的異常中斷響應(yīng)過程； 從異常中斷處理程序中返回 ； 異常中斷向量表； 異常中斷的優(yōu)先級 ； ARM處理器對異常中斷的響應(yīng)過程如下： 將CPSR的內(nèi)容保存到將要執(zhí)行的異常中斷對應(yīng)的SPSR中 。 設(shè)置當前狀態(tài)寄存器CPSR中的相應(yīng)位 將引起異常指令的下一條指令的地址保存到新的異常工作模式的R14 。 給程序計數(shù)器PC強制賦值 。每 個 異 常 模 式 對 應(yīng) 有 兩 個 寄

24、 存 器R13_、R14_分別保存相應(yīng)模式下的堆棧指針、返回地址；堆棧指針可用來定義一個存儲區(qū)域保存其它用戶寄存器，這樣異常處理程序就可以使用這些寄存器。F I Q 模 式 還 有 額 外 的 專 用 寄 存 器R8_fiqR12_fiq，使用這些寄存器可以加快快速中斷的處理速度。 從異常中斷處理程序中返回時，需要執(zhí)行以下四個基本操作 ：所有修改過的用戶寄存器必須從處理程序的保護堆棧中恢復(fù)即出棧）。將SPSR_mode寄存器內(nèi)容復(fù)制到CPSR中，使得CPSR從相應(yīng)的SPSR中恢復(fù)，即恢復(fù)被中斷的程序工作狀態(tài)。根據(jù)異常類型將PC變回到用戶指令流中相應(yīng)指令處。最后清除CPSR中的中斷禁止標志位I/

25、F。 中斷向量表中指定了各異常中斷與其處理程序的對應(yīng)關(guān)系 。每個異常中斷對應(yīng)的中斷向量表的4個字節(jié)的空間中存放一個跳轉(zhuǎn)指令或者一個向PC寄存器中賦值的數(shù)據(jù)訪問指令 。存儲器的前8個字中除了地址0 x00000014之外，全部被用作異常矢量地址 。當幾個異常中斷同時發(fā)生時，在ARM中通過給各異常中斷賦予一定的優(yōu)先級來實現(xiàn)處理次序 ：復(fù)位最高優(yōu)先級）；數(shù)據(jù)異常中止；FIQ；IRQ；預(yù)取指異常中止；SWI、，未定義指令包括缺協(xié)處理器）。 一3.8.1三級流水線ARM的組織一3.8.2五級流水線ARM的組織 1ARM的3級流水線介紹 到ARM7為止的ARM處理器使用的簡 單3級流水線分別為 ：取指級

26、；譯碼級 ；執(zhí)行級 ；2ARM 3級流水線下PC的行為 在3級流水線的執(zhí)行過程中，當通過R15寄存器直接訪問PC時，必須考慮到此時流水線的執(zhí)行過程的真實情況 三級流水線的三級流水線的PC行為行為使用5級流水線的ARM處理器包含下面5個流水線級 ：取指 譯碼 執(zhí)行 緩沖數(shù)據(jù) 回寫 一 多級存儲器使它包括一個容量小但速度快的從多級存儲器使它包括一個容量小但速度快的從存儲器和一個容量大但速度慢的主存儲器，根據(jù)典存儲器和一個容量大但速度慢的主存儲器，根據(jù)典型程序的實驗統(tǒng)計，這個存儲器系統(tǒng)的外部行為在型程序的實驗統(tǒng)計，這個存儲器系統(tǒng)的外部行為在絕大部分時間象一個即大又快的存儲器。這個容量絕大部分時間象一

27、個即大又快的存儲器。這個容量小但速度快的元件是小但速度快的元件是CacheCache，它自動地保存處理器，它自動地保存處理器經(jīng)常用到的指令和數(shù)據(jù)的拷貝。經(jīng)常用到的指令和數(shù)據(jù)的拷貝。 一 本節(jié)首先對本節(jié)首先對ARMARM支持的存儲數(shù)據(jù)類型和處理器中支持的存儲數(shù)據(jù)類型和處理器中數(shù)據(jù)存儲格式進行介紹，在此基礎(chǔ)上介紹了數(shù)據(jù)存儲格式進行介紹，在此基礎(chǔ)上介紹了ARMARM存存儲器的接口設(shè)計，主要包括存儲器接口、儲器的接口設(shè)計，主要包括存儲器接口、CacheCache、MMUMMU和保護單元，建立起和保護單元，建立起ARMARM處理器的整個存儲體系處理器的整個存儲體系的概念和設(shè)計方法。的概念和設(shè)計方法。 一

28、3.9.1 ARM存儲數(shù)據(jù)類型和存儲格式一3.9.2 ARM的存儲器層次簡介一3.9.3 ARM存儲系統(tǒng)簡介 ARM處理器支持以下6種數(shù)據(jù)類型 ：8位有符號和無符號字節(jié)。16位有符號和無符號半字，它們以兩字節(jié)的邊界定位。32位有符號和無符號字，它們以4字節(jié)的邊界定位。 存儲器組織 在以字節(jié)為單位尋址的存儲器中有“小端和“大端兩種方式存儲字，這兩種方式是根據(jù)最低有效字節(jié)與相鄰較高有效字節(jié)相比是存放在較低的還是較高的地址來劃分的，兩種存儲方式如圖所示。 寄存器組 片上RAM 片上Cache 主存儲器 硬盤 ARM通過增加硬件協(xié)處理器來支持對其指令集的通用擴展，通過未定義指令陷阱支持這些協(xié)處理器的軟

29、件仿真。簡單的ARM核提供板級協(xié)處理器接口，因此協(xié)處理器可以作為一個獨立的元件接入。最常使用的協(xié)處理器是用于控制片上功能的系統(tǒng)協(xié)處理器，例如控制ARM720上的高速緩存Cache和存儲器管理單元MMU等。ARM也開發(fā)了浮點協(xié)處理器，也可以支持其它的片上協(xié)處理器。ARM體系結(jié)構(gòu)支持通過增加協(xié)處理器來擴展指令集的機制。 先進的微控制器總線體系結(jié)構(gòu) AMBA是ARM公司公布的總線標準 AHBAdvanced High-performance Bus）：用于連接高性能系統(tǒng)模塊。它支持突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸方式及單個數(shù)據(jù)傳輸方式，所有時序參考同一個時鐘沿。ASBAdvanced System Bus）：用于連接高

30、性能系統(tǒng)模塊，它支持突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸模式。APBAdvance Peripheral Bus）：是一個簡單接口支持低性能的外圍接口。 嵌入式調(diào)試 調(diào)試處理器核 ARM調(diào)試硬件 EmbeddedICE 在高性能的32位嵌入式SoC設(shè)計中，幾乎都是以ARM作為處理器核。ARM核已是現(xiàn)在嵌入式SoC系統(tǒng)芯片的核心，也是現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的方向。 ARM處理器核作為基本處理單元，根據(jù)發(fā)展需求還集成了與處理器核密切相關(guān)的功能模塊，如Cache存儲器和存儲器管理MMU硬件，這些基于微處理器核并集成這些IP核的標準配置的ARM核都具有基本“CPU的配置，這些內(nèi)核稱為CPU核。 ARM處理器核當前有處理器核當前有

31、6 個系列產(chǎn)品：個系列產(chǎn)品：ARM7 ARM9ARM9E ARM10E,SecurCore ARM11Intel公司推出的：公司推出的：StrongARM XScale一3.13.1 ARM7系列核介紹一3.13.2 ARM9系列核介紹 一3.13.3 ARM10系列核一3.13.4 StrongARM和XScale系列核一3.13.5 SecurCore系列核 ARM7TDMI是ARM公司最早為業(yè)界普遍認可且得到了最為廣泛應(yīng)用的處理器核，特別是在手機和PDA中，隨著ARM技術(shù)的發(fā)展，它已是目前最低端的ARM核。ARM7：32位ARM體系結(jié)構(gòu)4T版本；T：“Thumb16位壓縮指令集；D：支持

32、片上Debug調(diào)試），使處理器能夠停止以響應(yīng)調(diào)試請求；M：增強型Multiplier，與前代相比具有較高的性能且產(chǎn)生64位的結(jié)果；I：“EmbeddedICE硬件以支持片上斷點和觀察點。1 1ARM7TDMIARM7TDMI組織結(jié)：組織結(jié)：ARM7TDMIARM7TDMI重要的特性有重要的特性有實現(xiàn)實現(xiàn)ARMARM體系結(jié)構(gòu)版本體系結(jié)構(gòu)版本4T4T，支持，支持6464位結(jié)果的乘法，位結(jié)果的乘法，半字、有符號字節(jié)存??；半字、有符號字節(jié)存?。恢С种С諸humbThumb指令集，可降低系統(tǒng)開銷；指令集，可降低系統(tǒng)開銷；32328 DSP 8 DSP 乘法器；乘法器；3232位尋址空間位尋址空間- 4G

33、B - 4GB 線性地址空間；線性地址空間；它包含了它包含了EmbeddedICEEmbeddedICE模塊以支持嵌入式系統(tǒng)調(diào)模塊以支持嵌入式系統(tǒng)調(diào)試；試；調(diào)試硬件由調(diào)試硬件由JTAGJTAG測試訪問端口訪問，因此測試訪問端口訪問，因此JTAGJTAG控制邏輯被認為是處理器核的一部分。控制邏輯被認為是處理器核的一部分。廣泛的廣泛的ARM ARM 和第三方支持，并與和第三方支持，并與 ARM9 Thumb ARM9 Thumb 系列系列 ARM10 Thumb ARM10 Thumb 系列和系列和StrongARMStrongARM處理器相兼容。處理器相兼容。 2ARM7TDMI硬件接口 按接口

34、信號的功能劃分為存儲器接口、MMU接口、片上調(diào)試、JTAG邊界掃描擴展以及時鐘接口等十四類接口信號。各接口信號包括接口信號和接口控制信號 ARM7TDMI核的外圍硬件接口信號圖核的外圍硬件接口信號圖 3綜合的ARM7TDMI-ARM7TDMIS ARM7TDMIS是ARM7TDMI的一個可綜合的版本，它是以高級語言描述的“軟IP核，可以根據(jù)用戶選擇的目標工藝的單元庫來進行邏輯綜合和物理實現(xiàn)，它比“硬的IP核更易于轉(zhuǎn)移到新的工藝技術(shù)上實現(xiàn)。 綜合出的整個核比“硬核大50，電源效率降低50。同時ARM7TDMIS在綜合過程中存在支持關(guān)于處理器核功能的選項，這些選項會導(dǎo)致綜合出處理器核較小而且的功能

35、有所下降。 4ARM7TDMI應(yīng)用應(yīng)用 ARM7TDMI處理器核在存儲器配置較簡處理器核在存儲器配置較簡單的系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，最為成功的典型例子單的系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，最為成功的典型例子是手機、是手機、PDA，在此應(yīng)用中，在此應(yīng)用中，ARM7TDMI已成為用于控制和用戶接口功能的事實上的已成為用于控制和用戶接口功能的事實上的標準處理器。當需要實現(xiàn)高性能時，具有簡標準處理器。當需要實現(xiàn)高性能時，具有簡單存儲器系統(tǒng)單純的單存儲器系統(tǒng)單純的ARM7TDMI已不能滿已不能滿足，系統(tǒng)的復(fù)雜程度必然要增加。往往是在足，系統(tǒng)的復(fù)雜程度必然要增加。往往是在ARM7TDMI上增加上增加Cache存儲器、以存儲器、以A

36、RM CPU核的形式增加軟件從片外存儲器核的形式增加軟件從片外存儲器讀、寫性能。讀、寫性能。 ARM8核是從1993年到2019年開發(fā)的，并開發(fā)了具有片上Cache及存儲器管理單元高性能ARM CPU芯片以滿足比ARM7的3級流水線更高性能的ARM核的需求。 ARM9TDMI將流水線的級數(shù)從ARM7TDMI的3級增加到5級，并使用分開的指令與數(shù)據(jù)存儲器的Harvard體系結(jié)構(gòu)。ARM9TDMI的性能在相同工藝條件下近似達到ARM7TDMI兩倍 1ARM9TDMI技術(shù)特點技術(shù)特點 支持支持Thumb指令集；指令集；含有含有EmbeddedICE模塊支持片上調(diào)試；模塊支持片上調(diào)試；通過采用通過采用

37、5級流水線以增加最高時鐘速率；級流水線以增加最高時鐘速率；分開的指令與數(shù)據(jù)存儲器端口以改善分開的指令與數(shù)據(jù)存儲器端口以改善CPI，提，提高處理器性能。高處理器性能。 2ARM9TDMI組織 ARM9內(nèi)核采用了與后面要講到的Strong ARM相同的5級流水線。ARM9TDMI與StrongARM核的主要區(qū)別在于StrongARM有一個與寄存器讀出級并行操作的專用的轉(zhuǎn)移加法器進行轉(zhuǎn)移地址計算，而ARM9TDMI使用數(shù)據(jù)路徑中的ALU來計算轉(zhuǎn)移目標地址。 3ARM9TDMI的流水線操作 ARM9內(nèi)核采用了與后面要講到的Strong ARM相同的5級流水線。ARM9TDMI與StrongARM核的主

38、要區(qū)別在于StrongARM有一個與寄存器讀出級并行操作的專用的轉(zhuǎn)移加法器進行轉(zhuǎn)移地址計算，而ARM9TDMI使用數(shù)據(jù)路徑中的ALU來計算轉(zhuǎn)移目標地址。 4Thumb解碼和存儲器讀寫 5協(xié)處理器支持 6片上調(diào)試 7低電壓操作 8ARM9TDMI應(yīng)用 9ARM9E-S及ARM946E-S和ARM966E-S ARM10TDMI屬于ARM處理器核中的高端處理器核，ARM10TDMI的性能在相同工藝條件下近似達到也以ARM9TDMI的兩倍性能工作。ARM1020E/ARM10200是基于ARM10TDMI核設(shè)計的高性能CPU核。增加最高時鐘速率。2019年，年，ARM、Apple、DEC公司聯(lián)合聲明公司聯(lián)合聲明將開發(fā)一種應(yīng)用于將開發(fā)一種應(yīng)用于PDA的高性能、低功耗、基于的高性能、低功耗、基于ARM體系結(jié)構(gòu)的體系結(jié)構(gòu)的StrongARM微處理器。微處理器。 StrongARM主要特點有：主要特點有：