ARM体系结构课件-百度

ARM体系结构授课人：***Email:*****课程性质:研究生专题时间:2014-2015春季学期3-5周课时数：10目录ARM处理器概述ARM体系结构概览ARM编程模型ARM指令集简介ARM异常处理ARM处理器概述嵌入式处理器概述ARM简介ARM的发展历程ARM处理器的技术优势ARM处理器的特点ARM的业务模型嵌入式处理器概述嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，目前32位嵌入式处理器是市场的主流。32位嵌入式处理器市场，我们可以发现超过100家的芯片供应商和近30种指令体系结构。在1996年以前，最成功的嵌入式处理器是Motorola公司的68000系列。这时的嵌入式处理器市场还包括其它体系结构，如Intel公司的I960，Motorola公司的Coldfire，Sun公司的Sparc，以及嵌入式X86系列平台。当然，最引人注目的还是ARM公司的ARM系列、MIPS公司的MIPS系列，以及Hitachi公司的SuperH系列。其中ARM和MIPS都知识产权公司，把他们的微处理器IP技术授权给半导体厂商，由他们生产形态各异的微处理器芯片。嵌入式处理器评价指标1功耗一般的嵌入式处理器都有三种运行模式：运行模式（operational）；待机模式（standbyorpowerdown）；停机模式（andclock-off）。功耗的评测指标是MIPS/W。2代码存储密度CISC计算机具有较好的代码存储密度，而RISC计算机由于用子程序实现复杂指令功能、指令编码长度固定等原因，往往需要更多的指令来完成完成同样功能，从而增加了代码长度。Hitachi的SuperH采用了定长的16位指令。ARM则采用16位扩展的Thumb指令集，由片内的逻辑译码器将其实时解码为32位指令。MIPS则采用MIPS16方法来解决这个问题。影响代码密度的另一个因素是采用的C编译器。虽然ANSIC是当前嵌入式领域的标准编程语言，但面向对象的语言将逐渐成为主流。3集成度嵌入式处理器一般都为专用市场设计的，需要较高的集成度，但把所有的外围设备都集成到一个芯片上也不是一种办法，这会使芯片变复杂，引脚变密，增加系统设计和测试的复杂性。集成外围设备时要考虑简化系统设计，缩短整个系统的开发周期。4多媒体加速为实现多媒体加速功能，嵌入式处理器的设计者在传统指令集的基础上增加了JPEG和MPEG解压缩的离散余弦变换指令。还有厂商针对智能手机和移动通讯市场，将RISC和DSP集成在一个芯片上，如TI的OMAP。评估嵌入式系统处理器的主要指标MIPS测试基准。测试方法是计算在单位时间内各类指令的平均执行条数，单位：MIPS。Dhrystone。测试基准是一个简单的C语言程序，不适于嵌入式系统的测试，有许多漏洞。EEMBC。基于每秒钟算法执行的次数和编译代码大小的统计结果。ARM简介ARM全称为AdvancedRISCMachines，ARM公司是32位RISC结构IP(IntelligenceProperty)核提供商。ARM公司主要设计ARM系列RISC处理器内核，授权ARM内核给生产和销售半导体的合作伙伴，ARM公司不生产芯片。ARM公司另外也提供基于ARM架构的开发设计技术，包括软件工具,评估板,调试工具,应用软件,总线架构,外围设备单元，等等。ARM微处理器的应用领域工业控制领域无线通讯领域网络应用消费电子产品成像和安全产品ARM当前主要还是应用于消费类电子领域。到目前为止，基于ARM技术的处理器应用约占据了32位嵌入式微处理器75％以上的市场份额。全球80%的GSM/3G手机、99%的CDMA手机以及绝大多数PDA产品均采用ARM体系的嵌入式处理器，“掌上计算”相关的所有领域皆为其所主宰。ARM技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。ARM微处理器系列ARM7系列ARM9系列ARM9E系列ARM10E系列ARM11系列SecurCore系列Cortex系列Intel的StrongARM和Xscale系列ARM的发展历程ARM公司成立于1981年，最初为英国教育界设计小型机，取得成功后，开始设计自己的芯片，采用RISC体系结构，并命名为“AcornRISCMachine”。ARM公司的第一款芯片ARM1在1985年被设计出来，次年又设计了真正实用的ARM2。ARM2具有32位数据线、24位地址线和16个寄存器，这可能是当时最简化的32位微处理器，仅有30000个晶体管，而4年前Motorola的68000则有68000个晶体管。这种精简的结构使ARM2具有优异的低功耗特性，性能也超过了当时的Intel286(134K个晶体管)。1990年ARM公司另外组建了一个名为“AdvancedRISCMachines”的公司，专门从事ARM系列微处理器的开发。1991年ARM推出第一款RISC嵌入式微处理器核ARM6。1993年ARM推出ARM7核。1995年ARM的Thumb扩展指令集结构为16位系统增加了32位的性能，提供业界领先的代码密度。1998年ARM公司在伦敦证券交易所和NASDAQ上市。ARM7TDMI是ARM公司最成功的微处理器IP之一，至今在蜂窝电话领域已销售了数亿个微处理器。DEC公司获得ARM公司授权设计并生产了StrongARM系列微处理器，主频达到了233MHz，而功率不到1瓦。后来DEC公司StrongARM部门被Intel并购，Intel公司用StrongARM取代了他们境况不佳的i860和i960体系，并在此基础上开发了新的体系结构XScale系列。世界各大半导体生产商从ARM公司购买其设计的ARM微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的ARM微处理器芯片进入市场。目前，Motorola、IBM、TI、Philips、VLSI、Atmel和Samsung等几十家大公司都获得了ARM公司的授权，生产形态各异的ARM芯片。ARM处理器的技术优势1低能耗当初刚刚起步的嵌入式应用对运算性能并不苛求，但对芯片的功耗却相当敏感。而相对同时期的其他解决方案，ARM架构的能效比优势非常明显。2应用方案非常灵活由于ARM公司只是提供了一个高效精简的核心，各半导体厂商可根据自身需求进行应用设计，架构灵活简便、扩展力很强。如厂商可为多媒体信号处理加入相关的指令集，或为Java相关的应用加入高效执行单元，或增加3D图形协处理器等等。3得到大量的软件支持包括WindowsCE、Symbian和PalmOS在内的手持设备三种主要操作系统系统都是基于ARM架构所设计。目前，ARM已经牢牢占领手机、PDA以及其他的掌上电子产品市场，这些领域都非常注重软件兼容和设计延续性，ARM在这些领域会继续保持优势。ARM处理器的特点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。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代码的扩充。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。ARM的业务模型ARM创造和设计IP。Partner把ARMIP和其他IP集成进产品。OEM用来自ARMPartner的芯片设计制造最终用户产品。ARMIP:ARM6,ARM7,ARM9,ARM10,ARM11等。可扩展：Thumb,DSP,SIMD,Jazelle等。其它IP：UART,GPIO,memorycontrollers等。ARM体系结构概览ARM体系结构版本ARM体系结构更新体系结构变化ARM流水线ARM微处理器特性ARM9TDMIARM处理器结构综述ARM微处理器的选型ARM体系结构版本Version1在ARM1处理器中实现，没有商业化支持除乘法指令外基本数据处理字节、字以及多字load/store支持包括bl的跳转指令支持用于操作系统软件中断指令swi26bit地址总线Version2Multiply&Multiply-accumulate指令支持协处理器的指令为FIQ模式增加了2个备份寄存器swp和swpb指令支持线程同步26bit地址总线Version3推出32位寻址能力增加了当前程序状态寄存器CPSR增加了备份程序状态寄存器SPSR增加mrs和msr指令访问CPSR和SPSR增加终止模式和未定义异常模式T—16位压缩指令集M—增强型乘法器(32X32→64or32X32+64→64),产生全64位结果Version4增加了半字load和store指令增加了系统模式明确定义了可能引起未定义指令异常的指令不再与以前版本26位地址空间兼容Version5版本改进了ARM和Thumb之间的交互增加前导零计数指令CLZ(CountLeadingZeros)，用于整数除法和中断优先级排队增加了软件断电指令为协处理器提供更多可选择指令更严格的定义了乘法指令对标志位的影响E---增强型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,提供字节代码执行的硬件和优化软件加速功能Version6增加了SIMD功能扩展，适用于电池供电高性能便携设备，针对多媒体应用优化，音视频处理性能提高了4倍。在ARM11处理器中适用ARM体系结构更新体系结构变化THUMB指令集(‘T’)THUMB指令集:32位ARM指令集的子集，按16位指令重新编码代码尺寸小(upto40%compression)简化设计161632-bitdata16A[1]MuxThumb指令解码MuxMuxT标志ARM指令解码阶段1阶段2D[31:0]0110FetchDecodeExecute长乘法指令(‘M’)32x32=64bit.提供全64位结果增强DSP指令集(‘E’)可附加在ARM中的DSP指令64bit转换在v5版本中第一次推出处理器内核的变化D:在片调试.处理器可响应调试暂停请求I:EmbeddedICE.支持片上断点调试ARMDSP指令集对于音频DSP应用提高70%的处理速度。Jazelle提供比基于软件的JAVA虚拟机（JVM）更高的性能与非JAVA加速核相比，提供8倍JAVA加速性能和降低80%的功耗。139字节码直接在硬件上执行，88个字节码在软件上执行。ARM体系结构的命名规则ARM{X}{y}{z}{T}{D}{M}{I}{E}{J}{F}{-S}x——系列y——存储管理/保护单元z——CacheT——Thumb16位译码器D——JTAG调试器M——快速乘法器I——嵌入式跟踪宏单元E——增强DSP指令J——JazelleF——向量浮点单元S——可综合版本，以源代码形式提供的ARM核ARM流水线ARM流水线的级数ARM9流水线增加到5级，增加了存储器访问段和回写段，使ARM9处理能力平均可达到1.1Dhrystone，指令吞吐量增加了约13%。随着流水线深度（级数）的增加，每一段的工作量被削减了，这使得处理器可以工作在更高的频率，同时改进了性能。负面作用是增加了系统的延时，即内核在执行一条指令前，需要更多的周期来填充流水线。流水线级数的增加也意味着在某些段之间会产生数据相关。ARM流水线结构的发展ARM微处理器特性AMBA总线高级微控制器总线协议（AMBA-AdvancedMicrocontrollerBusArchitecture）是1996年提出的，被ARM处理器做为片上总线结构。最初的AMBA总线包含ARM系统总线（ASB）和ARM外设总线（APB）。ARM高性能总线（AHB）是新的标准