第2章ARMTHUMB微處理器結(jié)構(gòu)及指令系統(tǒng)

第2章ARM/THUMB微處置器構(gòu)造及指令系統(tǒng) 本章簡要引見了ARM/THUMB微處置器的一些根本概念、運用領域及特點，以引導讀者進入ARM/THUMB的殿堂。本章主要內(nèi)容有：◆ARM/THUMB及相關技術(shù)簡介◆ARM/THUMB微處置器系列◆ARM/THUMB微處置器的構(gòu)造◆ARM/THUMB指令系統(tǒng)2.1ARM微處置器概述 ARM(AdvancedRISCMachines)，既可以以為是一個公司的名字，也可以以為是對一類微處置器的通稱，還可以以為是一種技術(shù)的名字。 1991年ARM公司成立于英國劍橋，主要出賣芯片設計技術(shù)的授權(quán)。目前，采用ARM技術(shù)知識產(chǎn)權(quán)(IP)核的微處置器，即我們通常所說的ARM微處置器，已普及工業(yè)控制、消費類電子產(chǎn)品、通訊系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場，基于ARM技術(shù)的微處置器運用約占據(jù)了32位RISC微處置器75%以上的市場份額，ARM技術(shù)正在逐漸滲入到我們生活的各個方面。 ARM公司是專門從事基于RISC技術(shù)芯片設計開發(fā)的公司，作為知識產(chǎn)權(quán)供應商，它本身不直接從事芯片消費，靠轉(zhuǎn)讓設計答應，由協(xié)作公司消費各具特征的芯片，世界各大半導體消費商從ARM公司購買其設計的ARM微處置器核，根據(jù)各自不同的運用領域，參與適當?shù)耐鈬娐?，從而?gòu)本錢人的ARM微處置器芯片進入市場。 目前，全世界有幾十家大的半導體公司都運用ARM公司的授權(quán)，因此既使得ARM技術(shù)獲得更多的第三方工具、制造、軟件的支持，又使整個系統(tǒng)本錢降低，從而使產(chǎn)品更容易進入市場被消費者所接受，更具有競爭力。2.1.1ARM處置器系列 下面所列的是ARM微處置器的幾個系列，以及其他廠商基于ARM體系構(gòu)造的處置器，這些處置器除了具有ARM體系構(gòu)造的共同特點以外，每一個系列的ARM微處置器都有各自的特點和運用領域。 ◆ARM7系列 ◆ARM9系列 ◆ARM9E系列 ◆ARMl0E系列 ◆SecurCore系列 ◆Intel的Xscale ◆Intel的StrongARM1.ARM7微處置器系列ARM7系列微處置器為低功耗的32位RISC處置器，最適宜用于對價位和功耗要求較高的消費類運用。ARM7微處置器系列具有如下特點:具有嵌入式ICE〔In-CircuitEmulator〕—RT邏輯，調(diào)試開發(fā)方便。極低的功耗，適宜對功耗要求較高的運用，如便攜式產(chǎn)品?？梢蕴峁?.9MIPS/MHz的三級流水線構(gòu)造。代碼密度高并兼容16位的Thumb指令集。對操作系統(tǒng)的支持廣泛，包括WindowsCE、Linux、PalmOS等。指令系統(tǒng)與ARM9系列、ARM9E系列和ARMl0E系列兼容，便于產(chǎn)品晉級換代。主頻最高可達130MIPS，高速的運算處置才干能勝任絕大多數(shù)的復雜運用。ARM的JTAG調(diào)試接口1。ARM的JTAG調(diào)試構(gòu)造一個典型的ARM基于JTAG調(diào)試構(gòu)造如下圖。Debug主控〔Host〕通常是運轉(zhuǎn)有ARM公司或者第三方提供的調(diào)式軟件的PC，通常用的調(diào)試軟件有ARMDebugforWindow(ADW),Linux下的arm-elf-gdb等。經(jīng)過這些調(diào)試軟件，可以發(fā)送高級的ARM指令，比如：設置籪點，讀寫存儲器，單步跟蹤，全速運轉(zhuǎn)等。協(xié)議轉(zhuǎn)換器〔Protrocolconverter〕擔任轉(zhuǎn)換Debug主控端發(fā)出的高級ARM調(diào)式命令為底層的和ARM內(nèi)核通訊的JTAG命令。Debug主控端和協(xié)議轉(zhuǎn)換器之間的介質(zhì)可以有很多種，比如：以太網(wǎng)，USB，RS-232，并口等。主控端和協(xié)議轉(zhuǎn)換器之間的通訊協(xié)議最典型的就是ARM公司提供的Angle規(guī)范，也可以是第三方廠家本人定義的規(guī)范。關于Angle的協(xié)議，請參考ARMSDT和ADS，ajj公司的OpenICE32,EPI公司的Jeeni等。協(xié)議轉(zhuǎn)換器〔Protrocolconverter〕擔任轉(zhuǎn)換Debug主控端發(fā)出的高級ARM調(diào)式命令為底層的和ARM內(nèi)核通訊的JTAG命令。Debug主控端和協(xié)議轉(zhuǎn)換器之間的介質(zhì)可以有很多種，比如：以太網(wǎng)，USB，RS-232，并口等。主控端和協(xié)議轉(zhuǎn)換器之間的通訊協(xié)議最典型的就是ARM公司提供的Angle規(guī)范，也可以是第三方廠家本人定義的規(guī)范。關于Angle的協(xié)議，請參考ARMSDT和ADS，ajj公司的OpenICE32,EPI公司的Jeeni等。Debug目的板就是指系統(tǒng)的調(diào)試對象．以一個典型的ARM7TDMI處置器內(nèi)核為例,闡明ARM7TDMI內(nèi)核的JTAG調(diào)試構(gòu)造．ARMJTAG的JTAG宏單元〔Macricell〕主要包括3條JTAG掃描鏈〔ScanChain〕和一個JTAG的控制TAP形狀機。2．JTAG與AngelJTAG調(diào)試：協(xié)議轉(zhuǎn)換器解釋上位機傳送來的命令，經(jīng)過JTAG控制ARM執(zhí)行。Angle調(diào)試：協(xié)議轉(zhuǎn)換器可以直接做為目的板Firmware的一部分.直接執(zhí)行從宿主機轉(zhuǎn)送過來的調(diào)試指令；并回送相應數(shù)據(jù)。Angel可以節(jié)省專門的JTAG仿真器，但是，它需求軟件，或者是嵌入式操作系統(tǒng)的支持，做不到完全的實時仿真。而JTAG仿真是經(jīng)過硬件和控制ARM的EmbeddedICE實現(xiàn)的可以做到實時仿真。JTAG的根本知識1.什么是JTAGJTAG是JointTestActionGroup的縮寫：是IEEE1149.1規(guī)范。2.運用JTAG的優(yōu)點JTAG的建立使得集成電路固定在PCB上，只經(jīng)過邊掃描便可以經(jīng)過測試。在ARM7TDMI處置器中，可以經(jīng)過JTAG直接控制ARM的內(nèi)部總線，I/O口等信息，從而到達調(diào)試的目的。3.JTAG的典型信號TMS：測試方式選擇〔TestModeSelect〕,經(jīng)過TMS信號控制JTAG形狀機的形狀。TCK：JTAG的時鐘信號。TDI：數(shù)據(jù)輸入信號。TDO：數(shù)據(jù)輸出信號。nTRST：JTAG復位信號，復位JTAG的形狀機和內(nèi)部的宏單元〔Macrocell〕。4.JTAG形狀機5.JTAG鏈的組成ARM7TDMI內(nèi)核的JTAG掃描鏈構(gòu)造ARM7TDMI內(nèi)核的JTAG掃描鏈構(gòu)造.主要包括３條掃描鏈：Scanchain0,Scanchain1Scanchain2.ScanChain0:有113個掃描單元,包括ARM核的一切I/O,地址數(shù)據(jù)總線和輸入輸出控制信號.這條鏈上的信號復雜,不易控制,但是,包含的信息豐富,可以經(jīng)過這條鏈得到ARM7TDMI一切的內(nèi)核信息。ScanChain1：有33個掃描單元，包括ARM核的數(shù)據(jù)總線和一個斷點控制信號。這是一條很有用地鏈，經(jīng)過控制這條鏈，可以控制ARM核執(zhí)行指定的指令，從而實現(xiàn)對ARM的內(nèi)部存放器，協(xié)處置器以及外部存儲器的讀寫操作。ScanChain2：有38個掃描單元，經(jīng)過控制EmbeddedICE宏單元，實現(xiàn)對ARM執(zhí)行指令的斷點，察看點控制。EmbeddedICE是集成在ARM內(nèi)核的中的嵌入式ICE防真器。其構(gòu)造如下圖。經(jīng)過對EmbeddedICE的控制，對EmbeddedICE中存放器的讀取，可以獲得ARM內(nèi)核的形狀，為程序設置斷點以及讀取Debug通訊通道。ARM7系列微處置器的主要運用領域為：工業(yè)控制、Internet設備、網(wǎng)絡和調(diào)制解調(diào)器設備、挪動等多種多媒體和嵌入式運用。ARM7系列微處置器包括如下幾種類型的核：ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ。其中，ARM7TDMI是目前運用最廣泛的32位嵌入式RISC處置器，屬低端ARM處置器核。TDMI的根本含義為：T：支持16位緊縮指令集Thumb；D：支持片上Debug；M：內(nèi)嵌硬件乘法器(Multiplier)；I：嵌入式ICE，支持片上斷點和調(diào)試點。本書所引見的Samsung公司的S3C44b0X即屬于該系列的處置器。2.ARM9微處置器系列ARM9系列微處置器在高性能和低功耗特性方面提供最正確的性能。具有以下特點：5級整數(shù)流水線，指令執(zhí)行效率更高。提供1.1MIPS/MHz的哈佛構(gòu)造。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。全性能的MMU，支持WindowsCE、Linux、PalmOS等多種主流嵌入式操作系統(tǒng)。MPU支持實時操作系統(tǒng)。支持數(shù)據(jù)Cache和指令Cache，具有更高的指令和數(shù)據(jù)處置才干。ARM9系列微處置器主要運用于無線設備、儀器儀表、平安系統(tǒng)、機頂盒、高端打印機、數(shù)字照相機和數(shù)字攝像機等。ARM9系列微處置器包含ARM920T、ARM922T和ARM940T三種類型，以適用于不同的運用場所。3.ARM9E微處置器系列ARM9E系列微處置器為可綜合處置器，運用單一的處置器內(nèi)核提供了微控制器、DSP、Java運用系統(tǒng)的處理方案，極大地減少了芯片的面積和系統(tǒng)的復雜程度。ARM9E系列微處置器提供了加強的DSP處置才干，很適宜于那些需求同時運用DSP和微控制器的運用場所。

ARM9E系列微處置器的主要特點如下:支持DSP指令集,適宜于需求高速數(shù)字信號處置的場所。5級整數(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(先進的微控制器總線體系構(gòu)造)總線接口.支持VFP9浮點處置協(xié)處置器.全性能MMU,支持WindowsCE、Linux、PalmOS等多種主流嵌入式操作系統(tǒng)。MPU支持實時操作系統(tǒng)。支持數(shù)據(jù)Cache和指令Cache，具有更高的指令和數(shù)據(jù)處置才干。主頻最高可達300MIPS。ARM9系列微處置器主要運用于下一代無線設備、數(shù)字消費品、成像設備、工業(yè)控制、存儲設備和網(wǎng)絡設備等領域。ARM9E系列微處置器包含ARM926EJ-S、ARM946E-S和ARM966E-S3種類型，以適用于不同的運用場所。4.ARMl0E微處置器系列ARMl0E系列微處置器具有高性能、低功耗的特點，由于采用了新的體系構(gòu)造，與同等的ARM9器件相比較，在同樣的時鐘頻率下，性能提高了近50%,同時,ARMl0E系列微處置器采用了兩種先進的節(jié)能方式,使其功耗極低。ARMl0E系列微處置器的主要特點如下：支持DSP指令集，適宜于需求高速數(shù)字信號處置的場所。6級整數(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VFPl0浮點處置協(xié)處置器。全性能MMU，支持WindowsCE、Linux、PalmOS等多種主流嵌入式操作系統(tǒng)。支持數(shù)據(jù)Cache和指令Cache，具有更高的指 令和數(shù)據(jù)處置才干。主頻最高可達400MIPS。內(nèi)嵌并行讀寫操作部件。ARMl0E系列微處置器主要運用于下一代無線設備、數(shù)字消費品、成像設備、工業(yè)控制、通訊和信息系統(tǒng)等領域。ARMl0E系列微處置器包含ARMl020E,ARMl022E和ARMl026EJ-S3種類型，以適用于不同的運用場所。5.SecurCore微處置器系列SecurCore系列微處置器專為平安需求而設計，提供了完善的32位RISC技術(shù)的平安處理方案，因此，SecurCore系列微處置器除了具有ARM體系構(gòu)造的低功耗、高性能的特點外，還具有獨特的優(yōu)勢，即提供了對平安處理方案的支持。SecurCore系列微處置器除了具有ARM體系構(gòu)造各種主要特點外，還在系統(tǒng)平安方面具有如下的特點：帶有靈敏的維護單元，以確保操作系統(tǒng)和運用數(shù)據(jù)的平安。采用軟內(nèi)核技術(shù),防止外部對其進展掃描探測?？杉捎脩舯救说钠桨蔡匦院推渌麉f(xié)處置器。SecurCore系列微處置器主要運用于一些對平安性要求較高的運用產(chǎn)品及運用系統(tǒng)，如電子商務、電子政務、電子銀行業(yè)務、網(wǎng)絡和認證系統(tǒng)等領域。SecurCore系列微處置器包含：SecurCoreSCl00、SecurCoreSCll0、SecurCoreSC200和SecurCoreSC2104種類型，以適用于不同的運用場所。6.StrongARM微處置器系列IntelStrongARMSA-1100處置器是采用ARM體系構(gòu)造高度集成的32位RISC微處置器。它交融了Intel公司的設計和處置技術(shù)，以及ARM體系構(gòu)造的電源效率，采用在軟件上兼容ARMv4體系構(gòu)造、同時采器具有Intel技術(shù)優(yōu)點的體系構(gòu)造。IntelStrongARM處置器是便攜式通訊產(chǎn)品和消費類電子產(chǎn)品的理想選擇，已勝利運用于多家公司的掌上電腦系列產(chǎn)品。7.Xscale處置器Xscale處置器是基于ARMv5TE體系構(gòu)造的處理方案，是一款性能全、性價比高、功耗低的處置器。它支持16位的Thumb指令和DSP指令集,已運用在數(shù)字挪動、個人數(shù)字助理和網(wǎng)絡產(chǎn)品等場所。Xscale處置器是Intel目前主要推行的一款ARM微處置器2.1.2RISC體系構(gòu)造ARM處置器實現(xiàn)加載／存儲(load/store)體系構(gòu)造是典型的RISC處置器。只需加載和存儲指令可以訪問存儲器。數(shù)據(jù)處置指令只對存放器的內(nèi)容進展操作。精簡指令集計算機RISC(ReducedInstructionSetComputer)構(gòu)造的產(chǎn)生是相對于傳統(tǒng)的復雜指令集計算機CISC(ComplexInstructionSetComputer)構(gòu)造而言的。雖然在1979年美國加州大學伯克利分校的帕特遜等人即提出了這個名字,但不同的看法使得目前尚未有對RISC的嚴厲定義。比較普遍的以為是,RISC應該是一種計算機設計的根本原那么,它的出現(xiàn)標志著計算機體系構(gòu)造開展上的一個重要里程碑。傳統(tǒng)的CISC計算機的指令集隨著計算機的開展而引入了各種各樣的復雜指令,使得指令集和為此要實現(xiàn)這些指令的計算機體系構(gòu)造越來越復雜,曾經(jīng)不堪重負。經(jīng)過大量的研討和分析,發(fā)如今CISC的指令集中,各種指令的運用頻度相差懸殊。大約有20%的指令被反復運用,運用量約占整個程序的80%;而有80%左右的指令那么很少運用,其運用量約占整個程序的20%。這就是所謂的20%—80%定律。RISC特點如下：指令規(guī)整、對稱、簡單。指令小于100條，根本尋址方式有2~3種。單周期指令。指令字長度一致，單拍完成，便于流水操作;ARM7三級流水線：取指、譯碼、執(zhí)行；ARM9五級流水線；ARMl0六級流水線。大量的存放器。存放器不少于32個。數(shù)據(jù)處置器的指令只對存放器的內(nèi)容操作。只需加載／存儲指令可以訪問存儲器。 ARM指令體系構(gòu)造運用了加載／存儲體系構(gòu)造、固定長32位指令和3地址指令格式的RISC特性；舍棄了存放器窗口、延遲轉(zhuǎn)移和一切指令單周期的RISC特性。2.1.3ARM和Thumb形狀ARM體系構(gòu)造v4T及以上版本定義了稱為Thumb指令集的16位指令集。Thumb指令集的功能是32位ARM指令集的功能子集。Thumb在性能和代碼大小之間提供了出色的折中。正在執(zhí)行Thumb指令集的處置器是任務在Thumb形狀下。正在執(zhí)行ARM指令集的處置器是任務在ARM形狀下。在ARM形狀下的處置器不能執(zhí)行Thumb指令,在Thumb形狀下的處置器也不能執(zhí)行ARM指令。必需確保處置器不接受對當前形狀來說為錯誤指令集的指令。每個指令集都包括切換處置器形狀的指令。ARM處置器總是在ARM形狀下開場執(zhí)行代碼。ARM處置器支持7種處置器方式，取決于體系構(gòu)造版本。2.1.4.存放器ARM處置器有37個存放器。存放器被安排成部分重疊的組(overlap--pingbank)。每種處置器方式都有不同的存放器組。分組的存放器在處置處置器異常和特權(quán)操作時可得到快速的上下文切換。通常存放器R13用做堆棧指針。在用戶方式下，R14用做鏈接存放器(LR)，在子程序調(diào)用時用來保管前往地址。假設前往地址保管在通訊堆棧中，那么它也可用做通用存放器。在異常處置方式下,R14用來保管異常的前往地址。程序計數(shù)器用R15(或PC)訪問。在ARM形狀下每條指令加1個字(4個字節(jié))，或在Thumb形狀下每條指令加2個字節(jié)。分支指令把目的地址加載到程序計數(shù)器中。也可以運用數(shù)據(jù)操作指令直接加載程序計數(shù)器。在執(zhí)行時，R15不包含當前執(zhí)行指令的地址。典型情況下，當前正在執(zhí)行指令的地址對于ARM形狀是PC—8，或?qū)τ赥humb形狀是PC—4。2.1.5ARM指令集概述一切ARM指令是32位長度。指令以字對準保管，這樣ARM形狀指令地址的最低2位總是零。一些指令運用最低有效位斷定代碼是轉(zhuǎn)向Thumb代碼還是ARM代碼。具有字節(jié)(8位)、半字(16位)、字(32位)帶符號或無符號數(shù)傳送才干。2.1.6Thumb指令集概述一切Thumb指令是16位長度,在存儲器中半字對準保管。因此,指令的最低有效位在Thumb形狀下總是為零。對于一切Thumb數(shù)據(jù)處置指令有：操作存放器中全部為32位值；數(shù)據(jù)訪問和取指運用全32位地址。條件分支指令是根據(jù)CPSR中ALU的形狀標志有條件執(zhí)行的獨一的Thumb指令。在Thumb形狀下，大多數(shù)指令只能訪問R0～R7。存放器R8~R15是被限制訪問的存放器。在Thumb形狀下它們用高存放器表示。Thumb形狀只在分立操作時運用桶式移位，具有LSI、LSR、ASR或ROR指令。Thumb體系構(gòu)造的擴展使得在8/16位系統(tǒng)價錢下可得到32位性能，即最小化系統(tǒng)存儲器大小和價錢下出色的代碼密度；在低系統(tǒng)價錢的8或16位總線上由16位存儲器得到32位性能。Thumb是32位體系構(gòu)造的擴展。Thumb指令集是大多數(shù)常用的32位ARM指令的子集，緊縮成16位寬操作碼。在執(zhí)行時，16位指令透明地實時解緊縮成全32位ARM指令且沒有性能損失。設計者可以運用16位Thumb和32位ARM指令集。在于程序級可根據(jù)運用需求，靈敏地強調(diào)性能或代碼大小。Thumb比通常的8和16位CISC/RISC控制器有更好的代碼密度，是傳統(tǒng)32位體系構(gòu)造代碼大小的一部分。這意味著程序存儲器可以更小，因此降低了本錢。3AMBA總線先進的微控制器總線體系構(gòu)造AMBA規(guī)范定義了三種總線：AHB〔AdvancedHigh-performanceBus〕：用于銜接高性能系統(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，一切時序參考同一個時鐘沿；ASB〔AdvancedSystemBus〕：用于銜接高性能系統(tǒng)模塊，它支持突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸方式；APB〔AdvancePeripheralBus〕：是一個簡單接口支持低性能的外圍接口。一個典型的基于AMBA的微控制器同時集成AHB〔或ASB〕和APB接口，如下圖。ASB總線是舊版的系統(tǒng)的總線，而新版的AHB總線加強了對性能、綜合及時序驗證的支持。APB總線通常用作的部分的第二總線，作為AHB或ASB上的單個從屬模塊。根據(jù)AMBA的規(guī)范,銜接AHB/ASB和APB的APB橋的獨一功能是提供更簡單的接口。任何由低性能外圍設備產(chǎn)生的延遲會由銜接高性能(AHB/ASP)總線的橋反映出來。橋本身仿佛是一個簡單APB總線的主設備，它訪問與之相連的從設備，并且經(jīng)過高性能總線上控制信號的子集控制它們。下面給出AHB、ASB和APB的主要特征.3.1AHBAHB是先進的系統(tǒng)總線。它主要的目的就是銜接共性能、高吞吐率的設備，例如CPU、DMA和DSP。它的主要特性:高性能新一代總線；多控制器；分段傳輸；單周期總線控制權(quán)移交；沒有三態(tài)實現(xiàn)方式；32～128位總線寬；包含一種訪問維護機制，用來區(qū)別特權(quán)訪問和無特權(quán)訪問方式，或指令和數(shù)據(jù)提取等；突發(fā)傳輸方式最大為16節(jié)；訪問空間限制在32位；提供為較慢設備運用而扼制數(shù)據(jù)流的機制；支持仲裁、REQ、GNT和LOCK；支持字節(jié)、半字和字傳輸。AHB總