嵌入式系统基础第一章ARM处理器概述

1CHAPTERARM处理器概述第1章目录1.ARM简介2.ARM处理器系列3.ARM处理器核的分类和扩充标识4.ARM处理器结构简介第1章目录1.ARM简介2.ARM处理器系列3.ARM处理器核的分类和扩充标识4.ARM处理器结构简介1.1ARM简介什么是ARMARM是AdvancedRISCMachines的缩写。它有三种含义：公司的名称；一类处理器的通称；一种技术的名称1.1ARM简介CISC：复杂指令集（ComplexInstructionSetComputer）具有大量的指令和寻址方式8/2原则：80%的程序只使用20%的指令大多数程序只使用少量的指令就能够运行RISC：精简指令集（ReducedInstructionSetComputer)在通道中只包含最有用的指令确保数据通道快速执行每一条指令使CPU硬件结构设计变得更为简单1.1ARM简介ARM公司简介1985年4月26日，第一个ARM原型在英国剑桥的Acorn计算机有限公司诞生，由美国加州SanJoseVLSI技术公司制造。20世纪80年代后期，ARM很快开发成Acorn的台式机产品，形成英国的计算机教育基础。1990年成立了AdvancedRISCMachinesLimited。ARM公司虽然只成立10多年，但在1999年因移动电话火爆市场，其32位RISC处理器占市场份额超过了50%，成为业界龙头老大。2001年初，ARM公司的32位RISC处理器市场占有率超过了75%，引起业界的极大关注。ARM公司是知识产权供应商，是设计公司。ARM公司本身不生产芯片，靠转让设计许可，由合作伙伴公司来生产各具特色的芯片。1.1ARM简介ARM处理器的3大特点如下：小体积、低功耗、成本低、高性能；16位/32位双指令集；全球众多的合作伙伴。将技术授权给其它芯片厂商形成各具特色的ARM芯片...1.1ARM简介当前ARM体系结构的扩充包括：Thumb:16位指令集，用以改善代码密度；DSP：用于DSP应用的算术运算指令集；Jazeller：允许直接执行Java安节码的扩充。ARM处理器本身是32位设计，但也配备16位指令集，以允许软件编码为更短的16位指令。与等价的32代码相比，占用的存储器空间节省高达35%，然而保留了32位系统所有的优势。1.1ARM简介ARM处理器系列提供的解决方案包括：在无线、消费电子和图像应用方面的开放平台；存储、自动化、工业和网络应用的嵌入式实时系统；智能卡和SIM卡的安全应用。goReaderInterneteBookSamsungAnyWebInternetScreenPhoneeRemoteIntelligentHomeControllerTektronixTDS7000DigitalOscilloscopesNixvueDigitalAlbumDigitalPhotoAlbum第1章目录1.ARM简介2.ARM处理器系列3.ARM处理器核的分类和扩充标识4.ARM处理器结构简介1.2ARM处理器系列ARM处理器的命名规则：ARM产品通常以ARM[x][y][z][T][D][M][I][E][J][F][-s]1.2ARM处理器系列ARM处理器的命名规则：ARM7TDMI之后的所有ARM内核，即使没有包含TDMI字符也都默认包含了TDMI的功能特性JTAG是有IEEE1149.1标准测试访问端口和边界扫描结构来描述的嵌入式ICE宏单元是建立在处理器内部用来设置断点和观察点的调试硬件可综合意味着处理器内核是以源代码形式提供的1.2ARM处理器系列ARM处理器系列类型：1.2ARM处理器系列ARM处理器系列ARM公司开发了很多系列的ARM处理器核，目前最新的系列已经是ARM11了，而ARM6核以及更早的系列已经很罕见了。目前应用比较广泛的系列是：ARM7ARM9ARM9EARM10SecurCoreXscaleARM11Cortex1.2ARM处理器系列ARM7概述ARM7内核采用冯·诺伊曼体系结构，数据和指令使用同一条总线。内核有一条3级流水线，执行ARMv4指令集指令寄存器控制器数据通道输入输出中央处理器程序存储器指令0指令1指令2数据存储器数据0数据1数据2地址指令地址数据1.2ARM处理器系列ARM7的特点·成熟的大批量的32位RICS芯片；·最高主频到达130MIPS；·功耗低；·代码密度高，兼容16位微处理器；·开发工具多、EDA仿真模型多；·调试机制完善；·提供0.25μm、0.18μm及0.13μm的生产工艺；·代码与ARM9系列、ARM9E系列以及ARM10E系列兼容。ARM系列微处理器核特点ARM7ARM7TDMI：整数处理核ARM7TDMI处理器的可综合版本；ARM720T：带MMU的处理器核心，支持操作系统；ARM7EJ-S：带有DSP和JazelleTM技术，能够实现Java加速功能冯诺伊曼体系结构；ARMTDMI是目前应用最广的微处理器核ARM720T带有MMU和8KB的指令数据混合cache；ARM7EJ-执行ARMv5TEJ指令，5级流水线，提供Java加速指令，没有存储器保护。ARM9ARM920T：带有独立的16KB数据和指令Cache；ARM922T：带有独立的8位KB数据和指令Cache；ARM940T–包括更小数据和指令Cache和一个MPU基于ARM9TDMI，带16位的Thumb指令集，增强代码密度最多到35%；在0.13µm工艺下最高性能可达到300MIPS（Dhrystone2.1测试标准）；集成了数据和指令Chche；32位AMBA总线接口的MMU支持；可在0.18µm、0.15µm和0.13µm工艺的硅芯片上实现。1.2ARM处理器系列ARM9EARM926EJ-S：Jazelle技术，有MMU，可配置的数据和指令Cache,TCM接口；ARM946E-S：可配置的数据和指令Cache及TCM;ARM966E-S：针对要求高性能和低功耗的可预测的指令执行时间的硬实时应用设计ARM968E-S：最小、功耗最小的ARM9E系列处理器，针对嵌入式实时应用设计；ARM9E是针对微控制器、DSP和Java的单处理器解决方案；ARMJazelle技术提供8倍的Java加速性能(ARM926EJ-S)；5-级整数流水线；在0.13µm工艺下最高性能可达到300MIPS（Dhrystone2.1测试标准）；可选择的向量浮点单元VFP9协处理器，对于3D图形加速和实时控制可达到215MFLOPS。高性能的AHB总线，带MMU可在0.18µm,0.15µm,0.13µm工艺的硅芯片上实现。ARM10EARM1020E：带DSP指令集，在片调试功能，独立的32KB数据和指令Cache，MMU支持；ARM1022E：与ARM1020E相同，只是独立的数据和指令Cache变为16KB；ARM1026EJ-S：同时具有MPU和MMU，可综合版本；带分支预测的6级整数流水线；在0.13µm工艺下最高性能可达到430MIPS（Dhrystone2.1测试标准）；对于3D图形运算和实时控制采用VFP协处理器，浮点运算性能最高可达650MFLOPS；双64位AMBA总线接口和64位内部总路线接口；优化的缓存结构提高了处理器访问低速存储器的性能；可在0.18µm,0.15µm,0.13µm工艺的硅芯片上实现1.2ARM处理器系列ARM11ARM11MPCore：可综合的多处理器核，1至4个处理器可配置；ARM1136J(F)-S：可配置的数据和指令Cache，可提供1.9位的MPEG4编码加速功能；ARM1156T2(F)-S：带集成浮点协处理器，带内存保护单元MPU；ARM1176JZ(F)-S：带针对CPU和系统安全架构扩展的TrustZone技术。增强的Thumb、Jazelle、DSP扩展支持；带片上和系统安全TrustZone技术支持；在0.13µm工艺下最高可达到550MHz；MPCore在0.13µm工艺下最高性能可达到740MIPS（Dhrystone2.1测试标准）；支持多媒体指令SIMD；采用三种电源模式：全速/待命/休眠集成DMA的TCM低功耗、高性能。SecurCoreSC100：第一个32位安全处理器；SC110：在SC100上增加密钥协处理器；SC200：带Jazelle技术的高级安全处理器；SC210：在SC200上增加密钥协处理器SecurCore是专门为智能卡、安全IC提供的32位安全处理器，为电子商务、银行、网络、移动多媒体、公共交通提供安全解决方案；体积小、功耗低，代码压缩密度高；为快速增长的Java卡平台提供Java加速功能；1.2ARM处理器系列CortexCortex-A：面向应用的微处理器，针对复杂操作系统和应用程序设计；Cortex-R：针对实时系统的嵌入式处理器；Cortex-M：针对成本敏感应用优化的深度嵌入式处理器；2004年发布，提供增强的媒体和数字处理能力，增加了系统性能；支持ARM、Thumb、Thumb-2指令集；Thumb-2指令集提供了更高的代码存储密度，进一步降低成本；Intel系列StrongARM：ARMv4体系XScale：ARMv5TE体系，增加MMX指令StrongARM主要应用于手持设备和PDA，5级流水线，具有独立的数据和指令Cache，不支持Thumb指令集，目前已停产；XScale是目前Intel公司主推的高性能嵌入式处理器，分通用处理器、网络处理器和I/O处理器三类。其中通用处理器有PXA25x、PXA26x、PXA27x三个系列，被广泛应用于智能手机、PDA领域。1.2ARM处理器系列1.2ARM处理器系列ARM系列处理器属性比较1.2ARM处理器系列ARM系列处理器功能比较第1章目录1.ARM简介2.ARM处理器系列3.ARM处理器核的分类和扩充标识4.ARM处理器结构简介1.3ARM处理器核的分类和扩充标识处理器核的分类用于开放平台的核这些核赋予MMU具有虚拟存储器和复杂的存储器保护特性，并可用于像WinCE，Linux等操作系统用于实时嵌入式操作系统的核这些核用于工作在封闭的嵌入式控制系统中，通常运行实时操作系统处理器的扩充标识第1章目录1.ARM简介2.ARM处理器系列3.ARM处理器核的分类和扩充标识4.ARM处理器结构简介1.4ARM处理器结构简介RISC体系结构特点:•指令规整、对称、简单。指令数少于100条，基本寻址方式有2～3种•单周期指令。指令字长度一致，单拍完成，便于流水操作•大量的寄存器。寄存器不少于32个。RISC定义是一种设计思想，定义有两种说法•来自于卡基梅隆大学•来自于IEEE的迈克尔斯莱特ARM体系结构继承了RISC结构•使用的特性：加载、存储体系、固定32位指令、三地址指令格式•舍弃的特征：寄存器窗口、延迟转移和所有指令单周期1.4ARM处理器结构简介ARM和Thumb状态Thumb指令集是32位ARM指令集的功能子集ARM状态下的处理器不能执行Thumb指令，反之亦然ARM处理器的7种处理器模式•用户模式：ARM处理器正常的程序执行状态•FIQ：用于高速数据传输或通道处理•IRQ：用于通用的中断处理•管理模式：操作系统使用的保护模式•中止模式：当数据或指令预取终止时进入该模式，可用于虚拟存储及存储保护•系统模式：运行具有特权的操作系统任务•未定义：当未定义的指令执行时进入该模式，可用于支持硬件协处理器的软件仿真。1.4ARM处理器结构简介寄存器ARM处理器共有37个寄存器。其中包括：31个通用寄存器以及6个状态寄存器。这些寄存器都是32位寄存器。R13堆栈指针R14链接寄存器R15程序计数器1.4ARM处理器结构简介ARM指令集概述ARM指令是32位长度，以字对齐保存，状态指令地址的最低2位为零，能传送字节、半字和字的数