《ARM體系結(jié)構(gòu)cha》課件

ARM體系結(jié)構(gòu)ARM體系結(jié)構(gòu)是一種廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)、移動(dòng)設(shè)備和服務(wù)器的處理器架構(gòu)。它以低功耗、高性能和靈活的特性而聞名。ARM體系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介ARM體系結(jié)構(gòu)是一種廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)和移動(dòng)設(shè)備的RISC（精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)）體系結(jié)構(gòu)。它以低功耗、高性能和可擴(kuò)展性而聞名，在智能手機(jī)、平板電腦、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和工業(yè)控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。ARM處理器的發(fā)展歷程早期階段(1983-1990)ARM架構(gòu)的早期發(fā)展，以ARM2為代表，主要應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，例如手機(jī)和PDA。快速發(fā)展階段(1991-2000)ARM架構(gòu)開(kāi)始廣泛應(yīng)用于各種嵌入式系統(tǒng)，并擴(kuò)展到移動(dòng)設(shè)備領(lǐng)域，例如手機(jī)、平板電腦等。成熟階段(2001-至今)ARM架構(gòu)已成為最受歡迎的嵌入式系統(tǒng)處理器架構(gòu)，其應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋了物聯(lián)網(wǎng)、智能家居、汽車電子等。ARM處理器的架構(gòu)特點(diǎn)1精簡(jiǎn)指令集ARM處理器采用精簡(jiǎn)指令集，指令集較小，執(zhí)行速度快，適用于嵌入式系統(tǒng)。2負(fù)載/存儲(chǔ)架構(gòu)ARM處理器采用負(fù)載/存儲(chǔ)架構(gòu)，數(shù)據(jù)必須先加載到寄存器中，然后才能進(jìn)行運(yùn)算，提高了數(shù)據(jù)訪問(wèn)效率。3流水線技術(shù)ARM處理器采用流水線技術(shù)，將指令執(zhí)行分成多個(gè)階段，同時(shí)執(zhí)行多個(gè)指令，提高了指令執(zhí)行效率。4低功耗設(shè)計(jì)ARM處理器采用低功耗設(shè)計(jì)，適用于移動(dòng)設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等。ARM指令集體系結(jié)構(gòu)指令集概述ARM指令集是ARM處理器執(zhí)行的指令的集合。它定義了指令的語(yǔ)法、語(yǔ)義和執(zhí)行方式。ARM指令集的種類繁多，包括數(shù)據(jù)處理指令、數(shù)據(jù)傳輸指令、狀態(tài)控制指令等。指令集分類ARM指令集可分為ARM指令集和Thumb指令集。ARM指令集使用32位指令，而Thumb指令集使用16位指令。Thumb指令集比ARM指令集更緊湊，更適合嵌入式系統(tǒng)。指令集特點(diǎn)高效緊湊靈活A(yù)RM指令的分類數(shù)據(jù)處理指令進(jìn)行算術(shù)、邏輯、移位操作等運(yùn)算，例如加、減、乘、除、與、或、異或等操作。數(shù)據(jù)傳輸指令用于數(shù)據(jù)在內(nèi)存和寄存器之間進(jìn)行傳遞，例如加載、存儲(chǔ)、移動(dòng)等操作。分支指令改變程序執(zhí)行流程，例如跳轉(zhuǎn)、條件跳轉(zhuǎn)、循環(huán)等操作。狀態(tài)控制指令控制處理器狀態(tài)，例如設(shè)置狀態(tài)寄存器、改變處理器模式等操作。ARM指令的執(zhí)行流程1獲取指令從內(nèi)存中取出下一條指令2指令解碼解析指令的操作碼和操作數(shù)3指令執(zhí)行根據(jù)指令類型執(zhí)行相應(yīng)操作4結(jié)果寫入將執(zhí)行結(jié)果寫入寄存器或內(nèi)存ARM指令執(zhí)行流程主要分為四個(gè)步驟：獲取指令、指令解碼、指令執(zhí)行和結(jié)果寫入。每個(gè)步驟都包含一系列的子操作，例如，在指令解碼步驟中，需要將指令的操作碼和操作數(shù)分別解析出來(lái)，以便后續(xù)的指令執(zhí)行操作。同時(shí)，在結(jié)果寫入步驟中，需要根據(jù)指令類型將執(zhí)行結(jié)果寫入相應(yīng)的寄存器或內(nèi)存地址。ARM寄存器組織通用寄存器ARM處理器提供16個(gè)通用寄存器，用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和地址。它們可以用于各種操作，包括算術(shù)、邏輯和內(nèi)存訪問(wèn)。程序狀態(tài)寄存器(PSR)PSR保存處理器狀態(tài)信息，包括條件碼、中斷使能和模式位。它在程序執(zhí)行過(guò)程中維護(hù)程序的狀態(tài)。特殊功能寄存器(SFR)SFR用于控制和管理處理器的各種功能，例如中斷、異常處理和內(nèi)存管理。棧指針(SP)SP指向堆棧的當(dāng)前位置，用于存儲(chǔ)函數(shù)調(diào)用參數(shù)、局部變量和返回值。ARM存儲(chǔ)器訪問(wèn)方式尋址方式ARM處理器支持多種尋址方式，包括寄存器直接尋址、寄存器間接尋址、基址加偏移尋址、相對(duì)尋址、自增尋址、自減尋址等。這些尋址方式提供了靈活性和效率，可以根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適的尋址方式來(lái)訪問(wèn)內(nèi)存數(shù)據(jù)。ARM中斷處理機(jī)制中斷類型外部中斷內(nèi)部中斷中斷處理流程處理器識(shí)別中斷源，保存當(dāng)前程序狀態(tài)，跳轉(zhuǎn)到中斷處理程序，執(zhí)行中斷處理，恢復(fù)程序狀態(tài)，返回中斷發(fā)生點(diǎn)。中斷優(yōu)先級(jí)多個(gè)中斷源同時(shí)發(fā)生時(shí)，根據(jù)優(yōu)先級(jí)決定哪個(gè)中斷先被處理。中斷向量表存放各個(gè)中斷處理程序的地址，用于快速找到對(duì)應(yīng)中斷的處理程序。ARM異常處理機(jī)制11.異常類型ARM架構(gòu)支持多種異常類型，包括中斷、數(shù)據(jù)或指令訪問(wèn)錯(cuò)誤、調(diào)試異常等。22.異常處理流程當(dāng)發(fā)生異常時(shí)，處理器會(huì)保存當(dāng)前狀態(tài)，跳轉(zhuǎn)到異常向量表，執(zhí)行相應(yīng)的異常處理程序。33.異常向量表異常向量表包含了每個(gè)異常類型對(duì)應(yīng)的異常處理程序的地址，是ARM異常處理機(jī)制的核心。44.異常返回異常處理程序完成后，處理器會(huì)恢復(fù)之前保存的狀態(tài)，返回到發(fā)生異常的指令處繼續(xù)執(zhí)行。ARM訪存指令加載指令從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)到寄存器。存儲(chǔ)指令將寄存器中的數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存。尋址模式ARM支持多種尋址模式，例如立即尋址、寄存器尋址、基址加偏移尋址等。數(shù)據(jù)對(duì)齊ARM要求數(shù)據(jù)對(duì)齊訪問(wèn)，提高數(shù)據(jù)訪問(wèn)效率。ARM數(shù)據(jù)傳輸指令LDR/STRLDR用于從內(nèi)存中加載數(shù)據(jù)到寄存器，STR用于將寄存器中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到內(nèi)存中。LDM/STMLDM用于將多個(gè)數(shù)據(jù)從內(nèi)存加載到寄存器組，STM用于將多個(gè)寄存器組的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到內(nèi)存中。SWPSWP用于在原子操作中交換寄存器和內(nèi)存位置的值，確保數(shù)據(jù)的完整性。其他指令包括LDRB/STRB、LDRH/STRH用于處理字節(jié)和半字?jǐn)?shù)據(jù)的傳輸。ARM算術(shù)邏輯指令加法指令A(yù)RM加法指令用于執(zhí)行兩個(gè)操作數(shù)的加法運(yùn)算，并將結(jié)果存儲(chǔ)到目標(biāo)寄存器中。例如，ADD指令將兩個(gè)寄存器的內(nèi)容相加，并將結(jié)果存儲(chǔ)到第三個(gè)寄存器中。減法指令A(yù)RM減法指令用于執(zhí)行兩個(gè)操作數(shù)的減法運(yùn)算，并將結(jié)果存儲(chǔ)到目標(biāo)寄存器中。例如，SUB指令將兩個(gè)寄存器的內(nèi)容相減，并將結(jié)果存儲(chǔ)到第三個(gè)寄存器中。乘法指令A(yù)RM乘法指令用于執(zhí)行兩個(gè)操作數(shù)的乘法運(yùn)算，并將結(jié)果存儲(chǔ)到目標(biāo)寄存器中。例如，MUL指令將兩個(gè)寄存器的內(nèi)容相乘，并將結(jié)果存儲(chǔ)到第三個(gè)寄存器中。除法指令A(yù)RM除法指令用于執(zhí)行兩個(gè)操作數(shù)的除法運(yùn)算，并將結(jié)果存儲(chǔ)到目標(biāo)寄存器中。例如，SDIV指令將兩個(gè)寄存器的內(nèi)容相除，并將結(jié)果存儲(chǔ)到第三個(gè)寄存器中。ARM移位指令邏輯左移邏輯左移指令將操作數(shù)的位向左移動(dòng)指定的位數(shù)，空缺位用0填充。邏輯右移邏輯右移指令將操作數(shù)的位向右移動(dòng)指定的位數(shù)，空缺位用0填充。算術(shù)右移算術(shù)右移指令將操作數(shù)的位向右移動(dòng)指定的位數(shù)，空缺位用符號(hào)位填充。ARM狀態(tài)控制指令狀態(tài)控制指令概述狀態(tài)控制指令用于控制ARM處理器的工作狀態(tài)，例如：?jiǎn)⒂没蚪弥袛啵O(shè)置處理器模式等。這些指令可以影響程序執(zhí)行流程，例如：切換處理器模式或改變處理器的工作狀態(tài)。常用狀態(tài)控制指令CPS指令用于更改處理器模式，可以切換到用戶模式、系統(tǒng)模式或其他模式。MRS和MSR指令用于讀取和寫入CPSR寄存器，CPSR包含處理器狀態(tài)信息。ARM流水線機(jī)制1指令獲取從內(nèi)存中獲取指令，準(zhǔn)備執(zhí)行。2指令譯碼將指令轉(zhuǎn)換為機(jī)器碼，準(zhǔn)備執(zhí)行。3執(zhí)行執(zhí)行指令操作，完成指令功能。4訪存訪問(wèn)內(nèi)存，加載或存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。5寫回將執(zhí)行結(jié)果寫入寄存器或內(nèi)存。ARM乘法和除法指令乘法指令A(yù)RM提供多種乘法指令，支持不同數(shù)據(jù)類型的乘法操作。除法指令A(yù)RM的除法指令用于執(zhí)行整數(shù)除法操作。寄存器操作乘法和除法指令通常將結(jié)果存儲(chǔ)在指定的寄存器中。ARM數(shù)據(jù)處理指令11.算術(shù)運(yùn)算指令用于執(zhí)行加法、減法、乘法和除法等運(yùn)算。22.邏輯運(yùn)算指令用于執(zhí)行與、或、異或、非等邏輯運(yùn)算。33.位操作指令用于執(zhí)行位移、旋轉(zhuǎn)和屏蔽等操作。44.比較指令用于比較兩個(gè)操作數(shù)的大小，設(shè)置條件碼。ARM分支指令條件分支根據(jù)條件碼的值決定是否跳轉(zhuǎn)到目標(biāo)地址，實(shí)現(xiàn)條件執(zhí)行。無(wú)條件分支直接跳轉(zhuǎn)到目標(biāo)地址，無(wú)論條件碼的值如何。子程序調(diào)用將當(dāng)前指令地址壓入堆棧，跳轉(zhuǎn)到子程序的入口地址。子程序返回從堆棧中彈出返回地址，跳轉(zhuǎn)回調(diào)用程序。ARM協(xié)處理器指令1協(xié)處理器功能擴(kuò)展協(xié)處理器指令用于擴(kuò)展ARM處理器的功能，支持更強(qiáng)大的功能，如浮點(diǎn)運(yùn)算、數(shù)字信號(hào)處理等。2指令格式協(xié)處理器指令通常包含協(xié)處理器編號(hào)、操作碼、數(shù)據(jù)類型和操作數(shù)等信息。3協(xié)處理器寄存器協(xié)處理器擁有自己的寄存器集，用于存儲(chǔ)操作數(shù)和中間結(jié)果。4協(xié)處理器訪問(wèn)方式通過(guò)特定的指令訪問(wèn)協(xié)處理器寄存器，完成數(shù)據(jù)處理和操作。ARMSIMD指令SIMD簡(jiǎn)介SIMD（單指令多數(shù)據(jù)）指令集可以同時(shí)對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，提高數(shù)據(jù)處理效率。ARMSIMD擴(kuò)展ARM處理器提供多種SIMD擴(kuò)展，如NEON、SVE等，支持不同的數(shù)據(jù)類型和操作。向量運(yùn)算SIMD指令可以執(zhí)行向量運(yùn)算，例如加法、減法、乘法和比較等操作。應(yīng)用場(chǎng)景SIMD指令適用于圖像處理、視頻編碼、數(shù)字信號(hào)處理等需要大量數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用場(chǎng)景。ARMThumb指令集指令長(zhǎng)度Thumb指令集中的指令長(zhǎng)度為16位。指令集設(shè)計(jì)專門為嵌入式系統(tǒng)和資源受限設(shè)備設(shè)計(jì)。執(zhí)行效率比ARM指令集更小，執(zhí)行效率更高。ARMCortex-A系列處理器高性能應(yīng)用Cortex-A系列處理器專為高性能應(yīng)用而設(shè)計(jì)，包括智能手機(jī)、平板電腦、服務(wù)器和嵌入式系統(tǒng)。它們支持多種功能，例如多核處理、虛擬化和高級(jí)安全功能。應(yīng)用場(chǎng)景Cortex-A系列處理器在各種應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用，例如移動(dòng)設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、工業(yè)自動(dòng)化和數(shù)據(jù)中心。它們以其低功耗、高性能和可擴(kuò)展性而聞名。產(chǎn)品系列Cortex-A系列處理器包含各種產(chǎn)品，例如Cortex-A5、Cortex-A7、Cortex-A9、Cortex-A15和Cortex-A72。每個(gè)產(chǎn)品都針對(duì)不同的性能和功耗要求進(jìn)行了優(yōu)化。ARMCortex-R系列處理器高性能實(shí)時(shí)處理Cortex-R系列處理器針對(duì)實(shí)時(shí)應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，具有高性能、低延遲和確定性等特點(diǎn)，適用于工業(yè)自動(dòng)化、汽車電子和網(wǎng)絡(luò)通信等領(lǐng)域。廣泛應(yīng)用于實(shí)時(shí)系統(tǒng)Cortex-R系列處理器被廣泛應(yīng)用于汽車電子、工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備等需要實(shí)時(shí)處理的領(lǐng)域，確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。獨(dú)特功能內(nèi)存保護(hù)單元(MPU)嵌套向量中斷控制器(NVIC)硬件調(diào)試功能ARMCortex-M系列處理器特點(diǎn)Cortex-M系列處理器專為微控制器應(yīng)用設(shè)計(jì)，特點(diǎn)是低功耗，小尺寸，高性能和低成本，可用于各種嵌入式系統(tǒng)。應(yīng)用Cortex-M系列處理器廣泛應(yīng)用于各種嵌入式系統(tǒng)，例如物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，消費(fèi)電子產(chǎn)品，工業(yè)自動(dòng)化和醫(yī)療設(shè)備。ARM處理器在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用移動(dòng)設(shè)備ARM處理器廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)設(shè)備，提供低功耗、高性能的計(jì)算能力。汽車電子汽車電子控制系統(tǒng)、儀表盤、車載娛樂(lè)系統(tǒng)等都采用ARM處理器，滿足汽車電子對(duì)可靠性和實(shí)時(shí)性的要求。工業(yè)控制ARM處理器應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器人控制、過(guò)程控制等領(lǐng)域，提供可靠、高效的控制方案。醫(yī)療設(shè)備醫(yī)療設(shè)備中，ARM處理器用于控制儀器、處理數(shù)據(jù)、進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提高醫(yī)療設(shè)備的精度和可靠性。ARM虛擬化技術(shù)ARM虛擬化技術(shù)概述ARM虛擬化技術(shù)允許在單個(gè)ARM處理器上運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)或應(yīng)用程序，提高資源利用率，降低成本。ARM虛擬化技術(shù)優(yōu)勢(shì)提高資源利用率，降低功耗，增強(qiáng)安全性，支持多種操作系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于移動(dòng)設(shè)備、嵌入式系統(tǒng)和云計(jì)算。ARM虛擬化技術(shù)類型主要包括全虛擬化和半虛擬化，全虛擬化提供完整的虛擬化環(huán)境，半虛擬化需要修改操作系統(tǒng)內(nèi)核才能運(yùn)行。ARM虛擬化技術(shù)未來(lái)隨著云計(jì)算和移動(dòng)設(shè)備的發(fā)展，ARM虛擬化技術(shù)將得到更廣泛的應(yīng)用，并不斷完善和發(fā)展。ARM安全技術(shù)硬件安全ARM處理器設(shè)計(jì)包含安全功能，如內(nèi)存保護(hù)單元(MPU)和TrustZone技術(shù)，為關(guān)鍵代碼和數(shù)據(jù)提供保護(hù)。軟件安全ARM支持各種密碼算法，包括AES、RSA和SHA，以確保數(shù)據(jù)機(jī)密性和完整性。安全漏洞修復(fù)ARM積極參與安全漏洞修復(fù)工作，及時(shí)發(fā)布安全補(bǔ)丁以解決潛在漏洞，保障系統(tǒng)安全。ARM處理器的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)11.高性能計(jì)算ARM處理器將繼續(xù)提升性能，滿足對(duì)高性能計(jì)算的需求。22.人