1、21天學(xué)嵌入式開發(fā),第三講：ARM處理器構(gòu)架,課程安排,ARM體系結(jié)構(gòu)概述 ARM處理器系列 ARM處理器結(jié)構(gòu) ARM編程模型 ARM開發(fā)調(diào)試工具綜述,ARM體系結(jié)構(gòu)概述,ARM，英文全稱為Advanced RISC Machines。 ARM首先是一個(gè)公司的名稱 。 其次，ARM是對(duì)一類微處理器的通稱。 寬泛地說，ARM是一種技術(shù)的名字，即采用ARM處理器的控制技術(shù)。,CISC的體系結(jié)構(gòu),CISC，英文全稱為Complex Instruction Set Computer，即復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)。 在CISC指令集中，各種指令使用頻率相差懸殊 。 顯然，CISC結(jié)構(gòu)雖然指令全面功能強(qiáng)大，但是結(jié)構(gòu)

2、不合理，造成程序代碼體積龐大，不適合于嵌入式系統(tǒng)。,RISC的體系結(jié)構(gòu),RISC的英文全稱為Reduced Instruction Set Computer，即精簡指令集計(jì)算機(jī)。 RISC體系結(jié)構(gòu)應(yīng)具有如下特點(diǎn)： 采用固定長度的指令格式； 使用單周期指令，便于流水線操作執(zhí)行； 大量使用寄存器，數(shù)據(jù)處理指令只對(duì)寄存器進(jìn)行操作，只有加載/ 存儲(chǔ)指令可以訪問存儲(chǔ)器，以提高指令的執(zhí)行效率。 采用一些特別的技術(shù)降低功耗。 所有的指令都可根據(jù)前面的執(zhí)行結(jié)果決定是否被執(zhí)行； 可用加載/存儲(chǔ)指令批量傳輸數(shù)據(jù)，以提高數(shù)據(jù)的傳輸效率； 可在一條數(shù)據(jù)處理指令中同時(shí)完成邏輯處理和移位處理； 在循環(huán)處理中使用地址的自動(dòng)

3、增減來提高運(yùn)行效率。,ARM微處理器的應(yīng)用領(lǐng)域,工業(yè)控制領(lǐng)域 無線通訊領(lǐng)域 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用 智能手機(jī) 消費(fèi)類電子產(chǎn)品 成像和安全產(chǎn)品,ARM體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),體積小、低功耗、低成本、高性能。 支持 Thumb(16 位)/ARM(32 位)雙指令集，能很好的兼容8/16 位器件。 大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快。 ARM處理器共有37個(gè)寄存器，分為若干個(gè)組（BANK）。 大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成。 ARM處理器有7種不同的處理器模式 尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高。 指令長度固定。,ARM處理器系列,ARM 微處理器目前種類非常豐富。 不同的ARM系列具有不同的用途，每一個(gè)系列的ARM 微處理器

4、都有各自的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。 下面分別進(jìn)行介紹。,ARM7微處理器,ARM7內(nèi)核為低功耗的32位RISC處理器，其采用馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)。 ARM7微處理器系列具有如下特點(diǎn)： 具有嵌入式ICERT邏輯，無論調(diào)試還是開發(fā)都很方便。 極低的功耗，適合對(duì)功耗要求較高的應(yīng)用，如便攜式產(chǎn)品。 能夠提供0.9MIPS/MHz的三級(jí)流水線結(jié)構(gòu)。 代碼密度高并兼容16位的Thumb指令集。 支持Windows CE、Linux、Palm OS等嵌入式操作系統(tǒng)。 指令系統(tǒng)與ARM9系列、ARM9E系列和ARM10E系列兼容，便于用戶程序的升級(jí)和產(chǎn)品的更新?lián)Q代。 主頻最高可達(dá)130MIPS。,ARM7微處理器,ARM

5、7系列內(nèi)核包括多個(gè)分支：ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ 。 ARM7TMDI是目前使用最廣泛的32位嵌入式RISC處理器內(nèi)核，屬低端ARM處理器核。 其中，TDMI的基本含義為： T：支持16為壓縮指令集Thumb。 D：支持片上Debug。 M：內(nèi)嵌硬件乘法器（Multiplier）。 I：嵌入式ICE，支持片上斷點(diǎn)和調(diào)試點(diǎn)。,ARM9微處理器,ARM9內(nèi)核為32位RISC處理器，采用哈佛結(jié)構(gòu) 。 ARM9內(nèi)核微處理器具有以下特點(diǎn)： 5級(jí)整數(shù)流水線，指令執(zhí)行效率更高。 采用哈佛結(jié)構(gòu)。 提供1.1MIPS/MHz的運(yùn)行速率。 支持32位ARM指令集和16位

6、Thumb指令集。 支持32位的高速AMBA總線接口。 內(nèi)含全性能的MMU。 內(nèi)含MPU，支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。 支持?jǐn)?shù)據(jù)Cache和指令Cache。,ARM9E微處理器,ARM9E 系列微處理器為可綜合處理器 。 ARM9E 系列微處理器的主要特點(diǎn)如下： 支持 DSP 指令集，適合需要高速數(shù)字信號(hào)處理的場合。 5 級(jí)整數(shù)流水線，指令執(zhí)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 總線接口。 支持VFP9 浮點(diǎn)處理協(xié)處理器。 內(nèi)含全性能 MMU。 內(nèi)含MPU，支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。 支持?jǐn)?shù)據(jù) Cache 和指令Cache。 主頻最高可達(dá)300MIP

7、S。,ARM10E微處理器,ARM10E內(nèi)核為32位RISC處理器，采用了新的體系結(jié)構(gòu)。 ARM10E系列微處理器的主要特點(diǎn)如下： 支持DSP指令集，適合于需要高速數(shù)字信號(hào)處理的場合。 6級(jí)整數(shù)流水線，指令執(zhí)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總線接口。 支持VFP10浮點(diǎn)處理協(xié)處理器。 采用了兩種先進(jìn)的節(jié)能方式，使其功耗極低。 全性能的MMU。 支持?jǐn)?shù)據(jù)Cache和指令Cache。 主頻最高可達(dá)400MIPS。 內(nèi)嵌并行讀/寫操作部件。,ARM11微處理器,ARM1136J-S是第一個(gè)執(zhí)行ARMv6架構(gòu)指令的處理器 。 ARM1136J-S

8、的主要特點(diǎn)如下： 集成了一條具有獨(dú)立的load-sotore和算術(shù)流水線的8級(jí)流水線。 ARMv6指令包含了針對(duì)媒體處理的單指令流多數(shù)據(jù)流（SIMD）擴(kuò)展。 采用特殊的設(shè)計(jì)，以改善視頻處理性能。 為了進(jìn)行快速浮點(diǎn)運(yùn)算，增加了向量浮點(diǎn)單元。,SecurCore微處理器,SecurCore 系列微處理器專為安全需要而設(shè)計(jì) 。 SecurCore 系列微處理器在系統(tǒng)安全方面具有如下的特點(diǎn)： 帶有靈活的保護(hù)單元，確保操作系統(tǒng)和應(yīng)用數(shù)據(jù)的安全。 采用軟內(nèi)核技術(shù)，防止外部對(duì)其進(jìn)行掃描探測。 可集成用戶自己的安全特性和其他協(xié)處理器。,StrongARM微處理器,Intel StrongARM SA-1100

9、 以及Intel StrongARM SA-1110 處理器是采用ARM 體系結(jié)構(gòu)。 融合了Intel 公司的設(shè)計(jì)和處理技術(shù)以及ARM 體系結(jié)構(gòu)的電源效率，采用在軟件上兼容ARMv4體系結(jié)構(gòu)、同時(shí)采用具有Intel 技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的體系結(jié)構(gòu)。 Intel StrongARM處理器是便攜式通訊產(chǎn)品和消費(fèi)類電子產(chǎn)品的理想選擇。,Xscale微處理器,Xscale是基于ARMv5TE 體系結(jié)構(gòu)的解決方案 。 一款全性能、高性價(jià)比、低功耗的32 位處理器。 它支持16 位的Thumb指令和DSP 指令集。 Xscale處理器是Intel 目前主要推廣的一款A(yù)RM微處理器。,Cortex-M3微處理器,Cor

10、tex-M3微處理器采用ARMv7-M 架構(gòu) 。 Cortex-M3系列微處理器的主要特點(diǎn)如下： Thumb-2 指令集架構(gòu)（ISA）的子集。 哈佛處理器架構(gòu)，在加載/存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的同時(shí)能夠執(zhí)行指令取指。 三級(jí)流水線。 32 位單周期乘法。 具備硬件除法。 Thumb 狀態(tài)和調(diào)試狀態(tài)。 處理模式和線程模式。 ISR 的低延遲進(jìn)入和退出。 可中斷-可繼續(xù)的LDM/STM，PUSH/POP。 ARMv6類型BE8/LE支持。 ARMv6 非對(duì)齊訪問。,基于ARM核的芯片選擇,內(nèi)核的選擇 根據(jù)嵌入式系統(tǒng)選擇 工作頻率的選擇 片內(nèi)存儲(chǔ)器的選擇 片內(nèi)資源的選擇,ARM處理器結(jié)構(gòu),ARM Cortex-M3內(nèi)

11、核主系統(tǒng)由四個(gè)驅(qū)動(dòng)單元： 內(nèi)核ICode總線(I-bus) DCode總線(D-bus) 系統(tǒng)總線(S-bus) GP-DMA(通用DMA) Cortex-M3還包括了如下三個(gè)被動(dòng)單元： 內(nèi)部SRAM。 內(nèi)部閃存存儲(chǔ)器。 AHB到APB的橋(AHB2APBx),ARM流水線結(jié)構(gòu),ARM Cortex-M3采用適合于微控制器應(yīng)用的三級(jí)流水線。 理解指令預(yù)取和流水線技術(shù)。 增加了分支預(yù)測功能。,ARM存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu),ARM編程模型,工作模式和工作狀態(tài) 特權(quán)訪問和用戶訪問 數(shù)據(jù)類型 存儲(chǔ)器格式,工作模式和工作狀態(tài),Cortex-M3處理器支持兩種工作模式: 線程模式 處理模式 Cortex-M3處理器有兩種工作狀態(tài)： Thumb狀態(tài) 調(diào)試狀態(tài),特權(quán)訪問和用戶訪問,Cortex-M3處理器代碼可以是特權(quán)執(zhí)行或非特權(quán)執(zhí)行。 線程模式在復(fù)位之后為特權(quán)訪問 。 這里需要