第4講-ARM微處理器概述

第四講

ARM微處理器概述河南大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院授課人：周毅聯(lián)系電話mail：zhouyi@計(jì)算機(jī)專業(yè)核心課程之一2ARM簡(jiǎn)介ARM是AdvancedRISCMachines的縮寫，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。公司的特點(diǎn)是只設(shè)計(jì)芯片，而不生產(chǎn)。它將技術(shù)授權(quán)給世界上許多著名的半導(dǎo)體、軟件和OEM廠商，并提供服務(wù)。3將技術(shù)授權(quán)給其它芯片廠商形成各具特色的ARM芯片...ARM簡(jiǎn)介4固化宏單元（硬核）ARM920TARM7TDMIARM720TARM1022E可綜合內(nèi)核（軟核）ARM926EJ-SARM7TDMI-SARM1026EJ-S測(cè)試芯片ARM10200EARM簡(jiǎn)介5ARM簡(jiǎn)介6當(dāng)前主要應(yīng)用于消費(fèi)類電子領(lǐng)域；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。ARM技術(shù)正在逐步滲入到日常生活的各個(gè)方面。ARM微處理器應(yīng)用7微處理器結(jié)構(gòu)微處理器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，通常由三大部分組成：控制單元、算術(shù)邏輯單元和寄存器。

算術(shù)邏輯單元寄存器控制單元微處理器存儲(chǔ)器輸入輸出8ARM體系結(jié)構(gòu)ARM處理器為RISC芯片，其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)使ARM內(nèi)核非常小，這使得器件的功耗也非常低。它具有經(jīng)典RISC的特點(diǎn)：大的、統(tǒng)一的寄存器文件；裝載/保存結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)處理操作只針對(duì)寄存器的內(nèi)容，而不直接對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行操作；簡(jiǎn)單的尋址模式;統(tǒng)一和固定長(zhǎng)度的指令域，簡(jiǎn)化了指令的譯碼，便于指令流水線設(shè)計(jì)。9ARM體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：每條數(shù)據(jù)處理指令都對(duì)算術(shù)邏輯單元和移位器控制，實(shí)現(xiàn)了ALU和移位器的最大利用；地址自動(dòng)增加和減少尋址模式，優(yōu)化程序循環(huán)；多寄存器裝載和存儲(chǔ)指令實(shí)現(xiàn)最大數(shù)據(jù)吞吐量;所有指令的條件執(zhí)行實(shí)現(xiàn)最快速的代碼執(zhí)行。ARM體系結(jié)構(gòu)10ARM體系結(jié)構(gòu)ARM體系結(jié)構(gòu)從最初開發(fā)到現(xiàn)在有了很大的改進(jìn)，并仍在完善和發(fā)展。為了清楚的表達(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)V1～V7表示。11ARM體系結(jié)構(gòu)：V1版本該版本的ARM體系結(jié)構(gòu)，只有26位的尋址空間，沒(méi)有商業(yè)化，其特點(diǎn)為：基本的數(shù)據(jù)處理指令（不包括乘法）；字節(jié)、字和半字加載/存儲(chǔ)指令；具有分支指令，包括在子程序調(diào)用中使用的分支和鏈接指令；在操作系統(tǒng)調(diào)用中使用的軟件中斷指令。12ARM體系結(jié)構(gòu)：V2版本同樣為26位尋址空間，現(xiàn)在已經(jīng)廢棄不再使用，它相對(duì)V1版本有以下改進(jìn)：具有乘法和乘加指令；支持協(xié)處理器操作指令；快速中斷模式中的兩個(gè)以上的分組寄存器；支持加載/存儲(chǔ)指令SWP和SWPB，實(shí)現(xiàn)最基本的存儲(chǔ)器和寄存器內(nèi)容交換。13ARM體系結(jié)構(gòu)：V3版本尋址范圍擴(kuò)展到32位，從V3開始，ARM體系架構(gòu)被大規(guī)模應(yīng)用：增加了兩個(gè)非常重要的寄存器CPSR（當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器）和SPSR（備份程序狀態(tài)寄存器）；增加了MRS和MSR指令，方便讀寫上述兩個(gè)寄存器；增加了中止（Abort）和未定義兩種異常模式，改進(jìn)了從異常返回的指令。14V4是被最廣泛應(yīng)用的ARM體系結(jié)構(gòu)，ARM7、ARM9、StrongARM都采用了此架構(gòu)，V4有飛躍性的創(chuàng)新：增加了半字加載/存儲(chǔ)指令；引入了Thumb狀態(tài)（16位指令集），程序執(zhí)行過(guò)程中能在ARM指令和Thumb指令兩種狀態(tài)間切換；具有可以轉(zhuǎn)換到Thumb狀態(tài)的指令（BX）；增加了用戶模式寄存器的新的特權(quán)處理器模式。ARM體系結(jié)構(gòu)：V4版本15ARM體系結(jié)構(gòu)：V5版本在V4版本的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了必要的修正，對(duì)V4版本的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了擴(kuò)展，并增加了指令，ARM9E、ARM10和Xscale都采用此架構(gòu)：提高了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。16ARM體系結(jié)構(gòu)：V6版本V6版本于2001年發(fā)布，在ARM11處理器中使用：具備高性能定點(diǎn)DSP功能，并引入全新Jazelle技術(shù)，有效降低了Java應(yīng)用程序?qū)?nèi)存的空間占用，大幅提高性能；在多媒體處理性能上，在低功耗的前提下提高了圖像處理能力，通過(guò)支持SIMD單指令流多數(shù)據(jù)流技術(shù)，使語(yǔ)音和圖像處理能力提高了4倍；支持多微處理器內(nèi)核。17ARM體系結(jié)構(gòu)：V7版本V7版本是目前最高版本，定義了三大系列，即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）、R系列（針對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)）、M系列（對(duì)微控制器和低成本應(yīng)用提供優(yōu)化）：Thumb-2技術(shù)，減少了31%的內(nèi)存占用，提高了38%的性能表現(xiàn)；NEON技術(shù)，進(jìn)階SIMD延伸集，結(jié)合64位和128位的指令集，DSP處理能力提高了4倍；支持改良的浮點(diǎn)運(yùn)算。18ARM7ARM9ARM9EARM10SecurCoreXscaleARM11CortexARM處理器核19預(yù)取（Fetch）譯碼（Decode）執(zhí)行（Execute）預(yù)?。‵etch）譯碼（Decode）執(zhí)行（Execute）訪存（Memory）寫入（Write）預(yù)取（Fetch）譯碼（Decode）發(fā)送（Issue）預(yù)?。‵etch）預(yù)取（Fetch）執(zhí)行（Execute）訪存（Memory）寫入（Write）譯碼（Decode）發(fā)送（Issue）執(zhí)行（Execute）轉(zhuǎn)換（Snny）訪存（Memory）寫入（Write）ARM7ARM9ARM10ARM11ARM處理器核20項(xiàng)目ARM7ARM9ARM10ARM11流水線3568典型頻率（MHz）80150260335功耗（mW/MHz）0.060.19（+cache）0.5（+cache）0.4（+cache）性能MIPS**/MHz0.971.11.31.2架構(gòu)馮

諾伊曼哈佛哈佛哈佛ARM處理器核ARM系列微處理器核特點(diǎn)ARM7ARM7TDMI：整數(shù)處理核ARM7TDMI處理器的可綜合版本；ARM720T：帶MMU的處理器核心，支持操作系統(tǒng)；ARM7EJ-S：帶有DSP和JazelleTM

技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)Java加速功能馮

諾伊曼體系結(jié)構(gòu)；ARMTDMI是目前應(yīng)用最廣的微處理器核ARM720T帶有MMU和8KB的指令數(shù)據(jù)混合cache；ARM7EJ-執(zhí)行ARMv5TEJ指令，5級(jí)流水線，提供Java加速指令，沒(méi)有存儲(chǔ)器保護(hù)。ARM9ARM920T：帶有獨(dú)立的16KB數(shù)據(jù)和指令Cache；ARM922T：帶有獨(dú)立的8位KB數(shù)據(jù)和指令Cache；ARM940T–包括更小數(shù)據(jù)和指令Cache和一個(gè)MPU基于ARM9TDMI，帶16位的Thumb指令集，增強(qiáng)代碼密度最多到35%；在0.13μm工藝下最高性能可達(dá)到300MIPS（Dhrystone2.1測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)）；集成了數(shù)據(jù)和指令Chche；32位AMBA總線接口的MMU支持；可在0.18μm、0.15μm和0.13μm工藝的硅芯片上實(shí)現(xiàn)。ARM處理器核ARM處理器核ARM9EARM926EJ-S：Jazelle技術(shù)，有MMU，可配置的數(shù)據(jù)和指令Cache,TCM接口；ARM946E-S：可配置的數(shù)據(jù)和指令Cache及TCM;ARM966E-S：針對(duì)要求高性能和低功耗的可預(yù)測(cè)的指令執(zhí)行時(shí)間的硬實(shí)時(shí)應(yīng)用設(shè)計(jì)ARM968E-S：最小、功耗最小的

ARM9E系列處理器，針對(duì)嵌入式實(shí)時(shí)應(yīng)用設(shè)計(jì)；ARM9E是針對(duì)微控制器、DSP和Java的單處理器解決方案；ARM

Jazelle

技術(shù)提供8倍的Java加速性能(ARM926EJ-S)；5-級(jí)整數(shù)流水線；在0.13μm工藝下最高性能可達(dá)到300MIPS（Dhrystone2.1測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)）；可選擇的

向量浮點(diǎn)單元VFP9協(xié)處理器指令優(yōu)秀海浮點(diǎn)性能，對(duì)于3D圖形加速和實(shí)時(shí)控制可達(dá)到

215MFLOPS。高性能的AHB總線，帶MMU可在0.18μm,0.15μm,0.13μm工藝的硅芯片上實(shí)現(xiàn)。ARM10EARM1020E：帶DSP指令集，在片調(diào)試功能，獨(dú)立的32KB數(shù)據(jù)和指令Cache，MMU支持；ARM1022E：與ARM1020E相同，只是獨(dú)立的數(shù)據(jù)和指令Cache變?yōu)?6KB；ARM1026EJ-S：同時(shí)具有MPU和MMU，可綜合版本；帶分支預(yù)測(cè)的6級(jí)整數(shù)流水線；在0.13μm工藝下最高性能可達(dá)到430MIPS（Dhrystone2.1測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)）；對(duì)于3D圖形運(yùn)算和實(shí)時(shí)控制采用VFP協(xié)處理器，浮點(diǎn)運(yùn)算性能最高可達(dá)650MFLOPS；雙64位AMBA總線接口和64位內(nèi)部總路線接口；優(yōu)化的緩存結(jié)構(gòu)提高了處理器訪問(wèn)低速存儲(chǔ)器的性能；可在0.18μm,0.15μm,0.13μm工藝的硅芯片上實(shí)現(xiàn)ARM處理器核ARM11ARM11MPCore：可綜合的多處理器核，1至4個(gè)處理器可配置；ARM1136J(F)-S：可配置的數(shù)據(jù)和指令Cache，可提供1.9位的MPEG4編碼加速功能；ARM1156T2(F)-S：帶集成浮點(diǎn)協(xié)處理器，帶內(nèi)存保護(hù)單元MPU

；ARM1176JZ(F)-S：帶針對(duì)CPU和系統(tǒng)安全架構(gòu)擴(kuò)展的TrustZone技術(shù)。增強(qiáng)的Thumb、Jazelle、DSP擴(kuò)展支持；帶片上和系統(tǒng)安全TrustZone技術(shù)支持；在0.13μm工藝下最高可達(dá)到550MHz；MPCore在0.13μm工藝下最高性能可達(dá)到740MIPS（Dhrystone2.1測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)）；支持多媒體指令SIMD；采用三種電源模式：全速/待命/休眠集成DMA的TCM低功耗、高性能。SecurCoreSC100：第一個(gè)32位安全處理器；、SC110：在SC100上增加密鑰協(xié)處理器；SC200：帶Jazelle技術(shù)的高級(jí)安全處理器；SC210：在SC200上增加密鑰協(xié)處理器SecurCore是專門為智能卡、安全I(xiàn)C提供的32位安全處理器，為電子商務(wù)、銀行、網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)多媒體、公共交通提供安全解決方案；體積小、功耗低，代碼壓縮密度高；為快速增長(zhǎng)的Java卡平臺(tái)提供Java加速功能；ARM處理器核CortexCortex-A：面向應(yīng)用的微處理器，針對(duì)復(fù)雜操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序設(shè)計(jì)；Cortex-R：針對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的嵌入式處理器；Cortex-M：針對(duì)成本敏感應(yīng)用優(yōu)化的深度嵌入式處理器；2004年發(fā)布，提供增強(qiáng)的媒體和數(shù)字處理能力，增加了系統(tǒng)性能；支持ARM、Thumb、Thumb-2指令集；Thumb-2指令集提供了更高的代碼存儲(chǔ)密度，進(jìn)一步降低成本；Intel系列StrongARM：ARMv4體系XScale：ARMv5TE體系，增加MMX指令StrongARM主要應(yīng)用于手持設(shè)備和PDA，5級(jí)流水線，具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)和指令Cache，不支持Thumb指令集，目前已停產(chǎn)；XScale是目前Intel公司主推的高性能嵌入式處理器，分通用處理器、網(wǎng)絡(luò)處理器和I/O處理器三類。其中通用處理器有PXA25x、PXA26x、PXA27x三個(gè)系列，被廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、PDA領(lǐng)域。25ARM7TDMIARM7TDMI基于ARM體系結(jié)構(gòu)V4版本，是目前低端的ARM核。具有廣泛的應(yīng)用，其最顯著的應(yīng)用為數(shù)字移動(dòng)電話。注意：“ARM核”并不是芯片，ARM核與其它部件如RAM、ROM、片內(nèi)外設(shè)組合在一起才能構(gòu)成現(xiàn)實(shí)的芯片。26ARM7TDMI支持32位尋址范圍，ARM7TDMI的后綴意義為：支持高密度16位的Thumb指令集；支持片上調(diào)試；支持64位乘法；支持Embeded-ICE觀察硬件；ARM7TDMI的可綜合（synthesizable）版本（軟核），對(duì)應(yīng)用工程師來(lái)說(shuō)其編程模型與ARM7TDMI一致；ARM7TDMI-SARM7TDMI27ARM7TDMI處理器是ARM通用32位微處理器家族的成員之一。它具有優(yōu)異的性能，但功耗卻很低，使用門的數(shù)量也很少。它屬于精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)（RISC），比復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)（CISC）要簡(jiǎn)單得多。這樣的簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)了：高的指令吞吐量；出色的實(shí)時(shí)中斷響應(yīng)；小的、高性價(jià)比的處理器宏單元。ARM7TDMI28三級(jí)流水線ARM7TDMI處理器使用流水線來(lái)增加處理器指令流的速度。這樣可使幾個(gè)操作同時(shí)進(jìn)行，并使處理和存儲(chǔ)器系統(tǒng)連續(xù)操作，能提供0.9MIPS/MHz的指令執(zhí)行速度。

ARM7TDMI的流水線分3級(jí)，分別為：取指譯碼執(zhí)行ARM7TDMI29存儲(chǔ)器訪問(wèn)ARM