L3_嵌入式處理器和ARM概述

1、指令寄存器指令寄存器控制器控制器運(yùn)算器運(yùn)算器輸入輸入輸出輸出中央處理器中央處理器存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器程序程序指令指令0指令指令1指令指令2指令指令3指令指令4數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)0數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)2地址地址指令指令/數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)指令寄存器指令寄存器控制器控制器運(yùn)算器運(yùn)算器輸入輸入輸出輸出中央處理器中央處理器程序存儲(chǔ)器程序存儲(chǔ)器指令指令0指令指令1指令指令2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)0數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)2地址地址指令指令地址地址數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)CISC和和RISCnCISC：復(fù)雜指令集（：復(fù)雜指令集（Complex Instruction Set Computer） u具有大量的指令，指令長(zhǎng)度不固定具有大量的指令，

2、指令長(zhǎng)度不固定u8/2原則：原則：80%的程序只使用的程序只使用20%的指令的指令u大多數(shù)程序只使用少量的指令就能夠運(yùn)行大多數(shù)程序只使用少量的指令就能夠運(yùn)行u更多的專用寄存器更多的專用寄存器nRISC：精簡(jiǎn)指令集（：精簡(jiǎn)指令集（Reduced Instruction Set Computer)u在通道中只包含最有用的指令，指令長(zhǎng)度固定在通道中只包含最有用的指令，指令長(zhǎng)度固定u確保數(shù)據(jù)通道快速執(zhí)行每一條指令確保數(shù)據(jù)通道快速執(zhí)行每一條指令u使使CPU硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變得更為簡(jiǎn)單硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變得更為簡(jiǎn)單uLoad-store結(jié)構(gòu)，只處理寄存器的數(shù)據(jù)，更多的通用結(jié)構(gòu)，只處理寄存器的數(shù)據(jù)，更多的通用寄存器寄

3、存器n取指令（取指令（Instruction Fetch)：TFn指令譯碼（指令譯碼（Instruction Decode）：）：TDn執(zhí)行指令（執(zhí)行指令（Instruction Execute）：）：TEn每條指令的執(zhí)行周期：每條指令的執(zhí)行周期：T= TF+TD+TE影響影響CPU性能因素性能因素(1)：流水線：流水線n流水線技術(shù)：流水線技術(shù)：u幾個(gè)指令可以并行執(zhí)行幾個(gè)指令可以并行執(zhí)行u提高了提高了CPU的運(yùn)行效率的運(yùn)行效率u內(nèi)部信息流要求通暢流動(dòng)內(nèi)部信息流要求通暢流動(dòng)譯碼取指執(zhí)行add譯碼取指執(zhí)行sub譯碼取指執(zhí)行cmp時(shí)間AddSubCmp影響影響CPU性能因素性能因素(2)：超標(biāo)量：超

4、標(biāo)量u超標(biāo)量超標(biāo)量CPU采用多條流水線結(jié)構(gòu)采用多條流水線結(jié)構(gòu)執(zhí)行1預(yù)取指令CACHE譯碼2譯碼1執(zhí)行2執(zhí)行1預(yù)取譯碼2譯碼1執(zhí)行2流水線1流水線2數(shù)據(jù)影響影響CPU性能因素性能因素(3)：高速緩存：高速緩存n為什么采用高速緩存為什么采用高速緩存u微處理器的時(shí)鐘頻率比內(nèi)存速度提高快得多微處理器的時(shí)鐘頻率比內(nèi)存速度提高快得多u高速緩存可以提高內(nèi)存的平均性能高速緩存可以提高內(nèi)存的平均性能n高速緩存的工作原理高速緩存的工作原理u高速緩存是一種小型、快速的存儲(chǔ)器，它保存高速緩存是一種小型、快速的存儲(chǔ)器，它保存部分主存內(nèi)容的拷貝部分主存內(nèi)容的拷貝CPU高速緩存控制器CACHE主存數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)地址總線和總線橋總

5、線和總線橋CPU低速設(shè)備橋數(shù)據(jù)高速總線存儲(chǔ)器高速設(shè)備低速總線低速設(shè)備nWhat CPUs were used in your embedded projects during the past two years?nWhich will be used during the next two?n迄今為止，還沒有任何商業(yè)化的IP核交易和使用達(dá)到ARM的規(guī)模u據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球有103家巨型IT公司在采用ARM技術(shù)，20家最大的半導(dǎo)體廠商中有19家是ARM的用戶，包括TI，意法半導(dǎo)體，Intel等。nARM系列芯片廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，成為世界上銷量最大的32位微處理器版本版本ARMARM處理器系列處理器

6、系列特點(diǎn)特點(diǎn)ARMv1ARMv1ARM1ARM1該該版體系結(jié)構(gòu)只在原型機(jī)版體系結(jié)構(gòu)只在原型機(jī)ARM1ARM1出現(xiàn)過，沒有出現(xiàn)過，沒有用于商業(yè)產(chǎn)品?；拘阅埽河糜谏虡I(yè)產(chǎn)品。基本性能：（1 1）基本的數(shù)據(jù)處理指令（無乘法）基本的數(shù)據(jù)處理指令（無乘法）（2 2）2626位尋址位尋址ARMv2ARMv2ARM2ARM2和和ARM3ARM3該該版體系結(jié)構(gòu)對(duì)版體系結(jié)構(gòu)對(duì)ARMv1ARMv1版進(jìn)行了擴(kuò)展，版本版進(jìn)行了擴(kuò)展，版本ARMv2aARMv2a是是v2v2版的變種，版的變種，ARM3ARM3芯片采用了芯片采用了ARMv2aARMv2a。ARMv2ARMv2版增加了以下功能：版增加了以下功能：（1 1）

7、3232位乘法和乘加指令位乘法和乘加指令（2 2）支持）支持3232位協(xié)處理器操作指令位協(xié)處理器操作指令（3 3）快速中斷模式）快速中斷模式ARMv3ARMv3ARMv3MARMv3MARM6ARM6ARM7DIARM7DIARM7MARM7MARMv3ARMv3版體系結(jié)構(gòu)對(duì)版體系結(jié)構(gòu)對(duì)ARMARM體系結(jié)構(gòu)作了較大的改動(dòng)：體系結(jié)構(gòu)作了較大的改動(dòng)：（1 1）尋址空間增至）尋址空間增至3232位（位（4GB4GB）（2 2）獨(dú)立的當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器）獨(dú)立的當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器CPSRCPSR和程序狀態(tài)保存和程序狀態(tài)保存寄存器寄存器SPSRSPSR，保存程序異常中斷時(shí)的程序狀態(tài)，保存程序異常中斷時(shí)的程

8、序狀態(tài)，以便于對(duì)異常的處以便于對(duì)異常的處（3 3）增加了異常中斷（）增加了異常中斷（AbortAbort）和未定義兩種處理器）和未定義兩種處理器模式模式（4 4）增加了）增加了MMUMMU支持支持（5 5）ARMv3MARMv3M增加了有符號(hào)和無符號(hào)長(zhǎng)乘法指令增加了有符號(hào)和無符號(hào)長(zhǎng)乘法指令A(yù)RMv4 ARMv4 ARMv4TARMv4TStrongARMStrongARMARM7TDMIARM7TDMIARM9TARM9TARMv4ARMv4版體系結(jié)構(gòu)是目前應(yīng)用最廣的版體系結(jié)構(gòu)是目前應(yīng)用最廣的ARMARM體系結(jié)構(gòu)，在體系結(jié)構(gòu)，在v3v3版上作了進(jìn)一步擴(kuò)充，指令集中增加了以下功能：版上作了進(jìn)一步

9、擴(kuò)充，指令集中增加了以下功能：（1 1）增加了系統(tǒng)模式）增加了系統(tǒng)模式（2 2）增加了）增加了1616位位ThumbThumb指令集指令集（3 3）完善了軟件中斷）完善了軟件中斷SWISWI指令的功能指令的功能（4 4）不再支持）不再支持2626位尋址模式位尋址模式ARMv5TEARMv5TEARMv5TEJARMv5TEJARM9EARM9EARM10EARM10EXscaleXscaleARM7EJARM7EJARM926EJARM926EJARMv5ARMv5版體系結(jié)構(gòu)在版體系結(jié)構(gòu)在ARMv4ARMv4版基礎(chǔ)上增加了一些新版基礎(chǔ)上增加了一些新的指令，包括：的指令，包括：（1 1）增加）增

10、加ARMARM與與ThumbThumb狀態(tài)之間切換的指令狀態(tài)之間切換的指令（2 2）增強(qiáng)乘法指令和快速乘累加指令）增強(qiáng)乘法指令和快速乘累加指令（3 3）增加了數(shù)字信號(hào)處理指令（）增加了數(shù)字信號(hào)處理指令（ARMv5TEARMv5TE版）版）（4 4）增加了）增加了JavaJava加速功能加速功能(ARMv5TEJ(ARMv5TEJ版）版）ARMv6ARMv6ARM11ARM11ARMv6ARMv6版體系結(jié)構(gòu)是版體系結(jié)構(gòu)是20012001年發(fā)布的，首先在年發(fā)布的，首先在ARM11ARM11處理器中使用。此體系結(jié)構(gòu)在處理器中使用。此體系結(jié)構(gòu)在ARMv5ARMv5版基礎(chǔ)上增加版基礎(chǔ)上增加了以下功能：了

11、以下功能：（1 1）Thumb 2Thumb 2增強(qiáng)代碼密度增強(qiáng)代碼密度（2 2）SIMDSIMD增強(qiáng)媒體和數(shù)字處理功能增強(qiáng)媒體和數(shù)字處理功能（3 3）TrustZoneTrustZone提供增強(qiáng)的安全性能提供增強(qiáng)的安全性能（4 4）IEMIEM提供增強(qiáng)的功耗管理功能提供增強(qiáng)的功耗管理功能ARMv7ARMv7CortexCortex系列系列ARMv7ARMv7版體系結(jié)構(gòu)定義了版體系結(jié)構(gòu)定義了3 3種不同的微處理器系列：種不同的微處理器系列：（1 1）A A系列為面向應(yīng)用的微處理器核，支持復(fù)雜操作系列為面向應(yīng)用的微處理器核，支持復(fù)雜操作系統(tǒng)和用戶應(yīng)用系統(tǒng)和用戶應(yīng)用（2 2）R R系列為深度嵌入的微處理器核，針對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)系列為深度嵌入的微處理器核，針對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)應(yīng)用應(yīng)用（3 3）M M系列為微控制核，針對(duì)成本敏感的嵌入式控制系列為微控制核，針對(duì)成本敏感的嵌入式控制應(yīng)用應(yīng)用后綴變量后綴變量含義