第 ARM微處理器硬件結(jié)構(gòu)PPT課件

1、一、馮一、馮諾依曼結(jié)構(gòu)諾依曼結(jié)構(gòu) 馮諾依曼機(jī)結(jié)構(gòu)： (1) (John Von Neuman，19031957)，美藉匈牙利人, “存儲(chǔ)程序”的概念和二進(jìn)制原理. ISA計(jì)算機(jī) (2)稱(chēng)普林斯頓(大學(xué))結(jié)構(gòu) (3)是程序指令存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu) (4)程序指令和數(shù)據(jù)的寬度相同 例如：Intel 8086 ARM ARM7處理器 MIPS MIPS處理器 第1頁(yè)/共20頁(yè)二、哈佛體系結(jié)構(gòu)二、哈佛體系結(jié)構(gòu) 哈佛結(jié)構(gòu)： (1)程序指令存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分開(kāi)編址的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu) ,兩個(gè)存儲(chǔ)模塊.每個(gè)存儲(chǔ)模塊都不允許指令和數(shù)據(jù)并存 (2)指令和數(shù)據(jù)有不同的數(shù)據(jù)寬度 (3)解決取指和取數(shù)的沖突問(wèn)

2、題 (4) 如 MicroChip PIC16系列(指令14位，數(shù)據(jù)8位) 摩托羅拉公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列、ARM10系列等 ARM 7使用馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)。 ARM 9使用哈佛體系結(jié)構(gòu)。 第2頁(yè)/共20頁(yè)三、三、ARMARM公司簡(jiǎn)介公司簡(jiǎn)介 ARM是Advanced RISC Machines的縮寫(xiě)，它是一家微處理器行業(yè)的知名企業(yè). 該企業(yè)設(shè)計(jì)了大量高性能、廉價(jià)、耗能低的RISC （精簡(jiǎn)指令集）處理器。 1985年第一個(gè)ARM原型在英國(guó)劍橋誕生。 公司的特點(diǎn)是只提供技術(shù)，而不生產(chǎn)芯片。它提供ARM技術(shù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）核，將技術(shù)授權(quán)給世界上許多著名的半導(dǎo)體、軟件和OEM廠

3、商，并提供服務(wù)。有ARM7/ARM9等多個(gè)版本。除了一些Unix圖形工作站外，大多數(shù)ARM核心的處理器都使用在嵌入領(lǐng)域。 ARM，既可以認(rèn)為是一個(gè)公司的名字，也可以認(rèn)為是對(duì)一類(lèi)微處理器的通稱(chēng)，還可以認(rèn)為是一種技術(shù)的名字。 第3頁(yè)/共20頁(yè)四、四、ARMARM處理器的應(yīng)用處理器的應(yīng)用 到目前為止，基于ARM技術(shù)的微處理器應(yīng)用約占據(jù)了32位嵌入式微處理器75以上的市場(chǎng)份額。 全球80%的GSM/3G手機(jī)、99%的CDMA手機(jī)以及絕大多數(shù)PDA產(chǎn)品均采用ARM體系的嵌入式處理器。 “掌上計(jì)算”相關(guān)的所有領(lǐng)域皆為其所主宰。 主要應(yīng)用：消費(fèi)類(lèi)電子，無(wú)線、圖像應(yīng)用開(kāi)放平臺(tái)、存儲(chǔ)、自動(dòng)化、智能卡、SIM卡等

4、。 ARM處理器的三大特點(diǎn)：耗電低、功能強(qiáng)、16位/32位雙指令集、眾多合作伙伴。將技術(shù)授權(quán)給其它芯片廠商形成各具特色的ARM芯片. . .第4頁(yè)/共20頁(yè)2.2 2.2 各各ARMARM體系結(jié)構(gòu)版本體系結(jié)構(gòu)版本 ARM體系結(jié)構(gòu)從最初開(kāi)發(fā)到現(xiàn)在有了很大的改進(jìn)，并仍在完善和發(fā)展。為了清楚地表達(dá)每個(gè)ARM應(yīng)用實(shí)例所使用的指令集，ARM公司定義了7種主要的ARM指令集體系結(jié)構(gòu)版本，以版本號(hào)V1V7表示。第5頁(yè)/共20頁(yè)一、一、ARMARM版本版本 V1V1版架構(gòu)版架構(gòu)1: 應(yīng)用:原型機(jī)ARM12:尋址地址：26位3:產(chǎn)品化:沒(méi)有用于商業(yè)產(chǎn)品。4:基本性能: 基本的數(shù)據(jù)處理指令（無(wú)乘法）； 基于字節(jié)、

5、半字和字的Load/Store指令; 轉(zhuǎn)移指令，包括子程序調(diào)用及鏈接指令； 供操作系統(tǒng)使用的軟件中斷指令SWI； 尋址空間：64MB（226）。 第6頁(yè)/共20頁(yè)一、一、ARMARM版本版本 V2V2版架構(gòu)版架構(gòu)1: V2對(duì)V1的擴(kuò)展2: 應(yīng)用： ARM2ARM3使用的是V2a架構(gòu) 版本2a是版本2的變種，ARM3芯片采用了版本2a，是第一片采用片上Cache的ARM處理器。3:應(yīng)用:現(xiàn)在已經(jīng)廢棄不再使用4:對(duì)V1功能 改進(jìn)： 乘法和乘加指令； 支持協(xié)處理器操作指令； 快速中斷模式； SWP/SWPB的最基本存儲(chǔ)器與寄存器交換指令; 尋址空間：64MB。第7頁(yè)/共20頁(yè)一、一、ARMARM版本

6、版本 V3V3版架構(gòu)版架構(gòu)1：V3對(duì)V2的改進(jìn)2: 應(yīng)用:ARM6 ARM作為獨(dú)立的公司， (1)1990年設(shè)計(jì)的第一個(gè)微處理器采用的是版本3的ARM6。它作為 IP核、獨(dú)立的處理器、具有片上高速緩存、MMU和寫(xiě)緩沖的 集成CPU。 (2) 變種版本有3G和3M。版本3G是不與版本2a向前兼容的版本 3，版本3M引入了有符號(hào)和無(wú)符號(hào)數(shù)乘法和乘加指令，這些 指令產(chǎn)生全部64位結(jié)果。 (3) V3版架構(gòu)（ 目前已廢棄 ）對(duì)ARM體系結(jié)構(gòu)作了較大的改動(dòng)：3:增加功能 尋址空間增至32位（4GB）； 當(dāng)前程序狀態(tài)信息從原來(lái)的R15寄存器移到當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器CPSR中（Current Program

7、Status Register）; 增加了程序狀態(tài)保存寄存器SPSR（Saved Program Status Register）； 增加了兩種異常模式，使操作系統(tǒng)代碼可方便地使用數(shù)據(jù)訪問(wèn)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/MSR指令，以訪問(wèn)新增的CPSR/SPSR寄存器； 增加了從異常處理返回的指令功能。第8頁(yè)/共20頁(yè)一、一、ARMARM版本版本 V4V4版架構(gòu)版架構(gòu) (1) V4版架構(gòu)在V3版上作了進(jìn)一步擴(kuò)充，V4版架 構(gòu)是目前應(yīng)用最廣的ARM體系結(jié)構(gòu)，ARM7、 ARM8、ARM9和StrongARM都采用該架構(gòu)。 (2) V4不再?gòu)?qiáng)制要求與26位地址空間兼容

8、，而且還 明確了哪些指令會(huì)引起未定義指令異常。指令集中增加了以下功能： 符號(hào)化和非符號(hào)化半字及符號(hào)化字節(jié)的存/取指令； 增加了T變種，處理器可工作在Thumb狀態(tài)，增加了16位Thumb指令集； 完善了軟件中斷SWI指令的功能； 處理器系統(tǒng)模式引進(jìn)特權(quán)方式時(shí)使用用戶寄存器操作; 把一些未使用的指令空間捕獲為未定義指令。第9頁(yè)/共20頁(yè)一、一、ARMARM版本版本 V5V5版架構(gòu)版架構(gòu) V5版架構(gòu)是在V4版基礎(chǔ)上增加了一些新的指令，ARM10和Xscale都采用該版架構(gòu)。 這些新增命令有： 帶有鏈接和交換的轉(zhuǎn)移BLX指令； 計(jì)數(shù)前導(dǎo)零CLZ指令； BRK中斷指令； 增加了數(shù)字信號(hào)處理指令（V5T

9、E版）； 為協(xié)處理器增加更多可選擇的指令； 改進(jìn)了ARM/Thumb狀態(tài)之間的切換效率； E-增強(qiáng)型DSP指令集，包括全部算法操作和16位乘法操作； J-支持新的JAVA，提供字節(jié)代碼執(zhí)行的硬件和優(yōu)化軟件加速功能。第10頁(yè)/共20頁(yè)一、一、ARMARM版本版本 V6V6版架構(gòu)版架構(gòu) (1) V6版架構(gòu)是2001年發(fā)布的，首先在2002年春季發(fā)布的ARM11處理器中使用。 (2)在降低耗電量地同時(shí)，還強(qiáng)化了圖形處理性能。通過(guò)追加有效進(jìn)行多媒體處理的SIMD(Single Instruction, Multiple Data，單指令多數(shù)據(jù) )功能，將語(yǔ)音及圖像的處理功能提高到了原型機(jī)的4倍。 此架

10、構(gòu)在V5版基礎(chǔ)上增加了以下功能： THUMBTM：35%代碼壓縮； DSP擴(kuò)充：高性能定點(diǎn)DSP功能； JazelleTM：Java性能優(yōu)化，可提高8倍； Media擴(kuò)充：音/視頻性能優(yōu)化，可提高4倍。第11頁(yè)/共20頁(yè)一、一、ARMARM版本版本 V7V7版架構(gòu)版架構(gòu)1.三大分工明確的系列(1)：“A”系列面向尖端的基于虛擬內(nèi)存的操作系統(tǒng)和用戶應(yīng)用；(2) “R”系列針對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)；(3) “M”系列對(duì)微控制器和低成本應(yīng)用提供優(yōu)化2. 基于ARMv7架構(gòu)的處理器，將令系統(tǒng)設(shè)計(jì)者能夠選擇更合適的CPU，同時(shí)提供性能、功耗控制、代碼大小以及芯片成本方面的優(yōu)化3.確保了與早期的ARM處理器之間良好的

11、兼容性，既保護(hù)了客戶在軟件方面的投資，又為已存的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換提供了便捷4.在無(wú)線、家庭娛樂(lè)、汽車(chē)電子和微控制器等應(yīng)用需求的驅(qū)動(dòng)下，微處理器市場(chǎng)在不斷趨向多樣化?；贏RMv7架構(gòu)的ARM處理器系列將滿足嵌入式處理所覆蓋的不斷擴(kuò)展的領(lǐng)域5. ARM RealView 向設(shè)計(jì)者提供了模擬、創(chuàng)建虛擬模型、編譯軟件、調(diào)試、驗(yàn)證和測(cè)試基于ARMv7架構(gòu)的系統(tǒng)的能力第12頁(yè)/共20頁(yè)一、一、ARMARM版本版本 V7V7版架構(gòu)版架構(gòu)6. ARMv7架構(gòu)采用了Thumb-2技術(shù)，它是在ARM的Thumb代碼壓縮技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展出來(lái)的，并且保持了對(duì)已存ARM解決方案的完整的代碼兼容性。Thumb-2技術(shù)比純

12、32位代碼少使用31%的內(nèi)存，降低了系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)，同時(shí)卻能夠提供比已有的基于Thumb技術(shù)的解決方案高出38%的性能表現(xiàn)7. ARMv7架構(gòu)還采用了NEON技術(shù)，將DSP和媒體處理能力提高了近4倍，并支持改良的浮點(diǎn)運(yùn)算，滿足下一代3D圖形和游戲物理應(yīng)用以及傳統(tǒng)的嵌入式控制應(yīng)用的需求。8.新的ARM Cortex處理器系列包括了ARMv7架構(gòu)的所有系列，含有面向復(fù)雜操作系統(tǒng)、實(shí)時(shí)的和微控制器應(yīng)用的多種處理器第13頁(yè)/共20頁(yè)2.2 ARM2.2 ARM處理器系列處理器系列 ARM公司開(kāi)發(fā)了很多系列的ARM處理器核，目前最新的系列已經(jīng)是ARM11。 ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10為4個(gè)通用

13、處理器系列。 每一個(gè)系列提供一套相對(duì)獨(dú)特的性能來(lái)滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求。 ARM7系列 ARM9系列 ARM9E系列 ARM10E系列 ARM11系列 Cortex A系列 Cortex R系列 Cortex M系列 SecurCore系列 Intel的Xscale Intel的StrongARM第14頁(yè)/共20頁(yè)一、一、ARM7ARM7微處理器系列微處理器系列 低功耗的32位RISC處理器，馮諾依曼結(jié)構(gòu)。極低的功耗，適合便攜式產(chǎn)品。 具有嵌入式ICERT邏輯，調(diào)試開(kāi)發(fā)方便。 3級(jí)流水線結(jié)構(gòu)。能夠提供0.9MIPS的三級(jí)流水線結(jié)構(gòu) 代碼密度高，兼容16位的Thumb指令集。 對(duì)操作系統(tǒng)的支持廣

14、泛，包括Windows CE、Linux、Palm OS等。 指令系統(tǒng)與ARM9系列、ARM9E系列和ARM10E系列兼容，便于用戶的產(chǎn)品升級(jí)換代。 主頻最高可達(dá)130MIPS。主要應(yīng)用領(lǐng)域：工業(yè)控制、Internet設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和調(diào)制解調(diào)器設(shè)備、移動(dòng)電話等多種多媒體和嵌入式應(yīng)用。 第15頁(yè)/共20頁(yè)ARM7TDMIARM7TDMI微處理器微處理器 4種類(lèi)型： ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ。 ARM7TMDI是目前使用最廣泛的32位嵌入式RISC處理器，屬低端ARM處理器核。 注：“ARM核”并不是芯片，ARM核與其它部件如RAM、ROM、片內(nèi)外設(shè)組合在一

15、起才能構(gòu)成現(xiàn)實(shí)的芯片。支持高密度支持高密度1616位的壓縮位的壓縮ThumbThumb指令集；指令集；支持片上調(diào)試支持片上調(diào)試Debug ；支持支持6464位乘法位乘法（Multiplier） ；嵌入式嵌入式Embeded-ICE,Embeded-ICE,支持片上斷點(diǎn)和調(diào)試點(diǎn)支持片上斷點(diǎn)和調(diào)試點(diǎn)；ARM7TDMI ARM7TDMI 的可綜合（的可綜合（synthesizablesynthesizable）版本）版本（軟核），對(duì)應(yīng)用工程師來(lái)說(shuō)其編程模型與（軟核），對(duì)應(yīng)用工程師來(lái)說(shuō)其編程模型與ARM7TDMI ARM7TDMI 一致；一致；ARM7 ARM7 T D M I - ST D M I - S第16頁(yè)/共20頁(yè)ARM7TDMI內(nèi)部結(jié)構(gòu) 組成：處理器核、用于邊界掃描的TAP控制器、在線仿真器ICE。 雙向數(shù)據(jù)總線D31：0被分割成單向輸入和輸出總線，以便于與外部存儲(chǔ)器兼容。 第17頁(yè)/共20頁(yè)ARM7TDMIARM7TDMI的模塊和內(nèi)核框圖的模塊和內(nèi)核框圖ARM7TDMI模塊地址寄存器寄存器組31*32位寄存器（6個(gè)狀態(tài)寄存器）地址增量器