嵌入式系统第2章 ARM微处理器硬件结构

[e-mail]NOLOGY第2章ARM微处理器硬件结构•计算机体系结构分类•ARM版本及系列•ARM处理器结构•存储系统机制[e-mail]NOLOGY计算机体系结构分类•两种典型的结构：冯·诺依曼结构哈佛体系结构[e-mail]NOLOGY冯·诺依曼结构•冯·诺依曼机：将数据和指令都存储在存储器中的计算机。•计算系统由一个中央处理单元（CPU）和一个存储器组成。存储器拥有数据和指令，并且可以根据所给的地址对它进行读或写。存储器CPUPC数据地址[e-mail]NOLOGY哈佛体系结构•哈佛机：为数据和程序提供了各自独立的存储器。•程序计数器只指向程序存储器而不指向数据存储器，这样做的后果是很难在哈佛机上编写出一个自修改的程序。•独立的程序存储器和数据存储器为数字信号处理提供了较高的性能。•ARM7使用冯·诺依曼体系结构。•ARM9使用哈佛体系结构。数据存储器CPUPC数据地址程序存储器地址数据[e-mail]NOLOGYARM公司简介•ARM是AdvancedRISCMachines的缩写，它是一家微处理器行业的知名企业，该企业设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC（精简指令集）处理器。1985年第一个ARM原型在英国剑桥诞生。•公司的特点是只设计芯片，而不生产。它提供ARM技术知识产权（IP）核，将技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和OEM厂商，并提供服务。[e-mail]NOLOGYARM处理器的应用•到目前为止，基于ARM技术的微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。•主要应用：消费类电子，无线、图像应用开放平台、存储、自动化、智能卡、SIM卡等。•ARM处理器的三大特点：耗电少功能强、16位/32位双指令集、众多合作伙伴。将技术授权给其它芯片厂商形成各具特色的ARM芯片[e-mail]NOLOGY各ARM体系结构版本•ARM体系结构从最初开发到现在有了很大的改进，并仍在完善和发展。•为了清楚地表达每个ARM应用实例所使用的指令集，ARM公司定义了6种主要的ARM指令集体系结构版本，以版本号V1～V6表示。[e-mail]NOLOGYARM版本Ⅰ：V1版架构该版架构只在原型机ARM1出现过，只有26位的寻址空间，没有用于商业产品。其基本性能有:•基本的数据处理指令（无乘法）；•基于字节、半字和字的Load/Store指令;•转移指令，包括子程序调用及链接指令；•供操作系统使用的软件中断指令SWI；•寻址空间：64MB（226）。[e-mail]NOLOGYARM版本Ⅱ：V2版架构该版架构对V1版进行了扩展，例如ARM2和ARM3（V2a）架构，版本2a是版本2的变种，ARM3芯片采用了版本2a。同样为26位寻址空间，现在已经废弃不再使用。V2版架构与版本V1相比，增加了以下功能：•乘法和乘加指令；•支持协处理器操作指令；•快速中断模式；•SWP/SWPB的最基本存储器与寄存器交换指令;•寻址空间：64MB。[e-mail]NOLOGYARM版本Ⅲ：V3版架构V3版架构（目前已废弃）对ARM体系结构作了较大的改动：•寻址空间增至32位（4GB）；•当前程序状态信息从原来的R15寄存器移到当前程序状态寄存器CPSR中（CurrentProgramStatusRegister）;•增加了程序状态保存寄存器SPSR（SavedProgramStatusRegister）；•增加了中止（Abort）和未定义2种处理器模式；•增加了MRS/MSR指令，以访问新增的CPSR/SPSR寄存器；•增加了从异常处理返回的指令功能。[e-mail]NOLOGYARM版本Ⅳ：V4版架构不在为了与以前的版本兼容而支持26位体系结构，并明确了哪些指令会引起未定义指令异常发生，V4版架构在V3版上作了进一步扩充，V4版架构是目前应用最广的ARM体系结构，ARM7、ARM8、ARM9和StrongARM都采用该架构。指令集中增加了以下功能：•符号化和非符号化半字及符号化字节的存/取指令；•增加了16位Thumb指令集；•完善了软件中断SWI指令的功能；•处理器系统模式引进特权方式时使用用户寄存器操作;•把一些未使用的指令空间捕获为未定义指令。[e-mail]NOLOGYARM版本Ⅴ：V5版架构V5版架构是在V4版基础上增加了一些新的指令，ARM10和Xscale都采用该版架构。这些新增命令有：•带有链接和交换的转移BLX指令；•计数前导零CLZ指令；•BRK中断指令；•增加了数字信号处理指令（V5TE版）；为协处理器增加更多可选择的指令；•改进了ARM/Thumb状态之间的切换效率；•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。[e-mail]NOLOGYARM版本Ⅵ：V6版架构V6版架构是2001年发布的，首先在2002年春季发布的ARM11处理器中使用。此架构在V5版基础上增加了以下功能：•THUMBTM：35%代码压缩；•DSP扩充：高性能定点DSP功能；•JazelleTM：Jova性能优化，可提高8倍；•Media扩充：音/视频性能优化，可提高4倍。[e-mail]NOLOGYARM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。•ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10为4个通用处理器系列。•每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。•ARM7系列•ARM9系列•ARM9E系列•ARM10E系列•SecurCore系列•Inter的Xscale•Inter的[e-mail]NOLOGYARM7微处理器系列•低功耗的32位RISC处理器，冯·诺依曼结构。•具有嵌入式ICE－RT逻辑，调试开发方便。•3级流水线结构。•代码密度高，兼容16位的Thumb指令集。•对操作系统的支持广泛，包括WindowsCE、Linux、PalmOS等。•指令系统与ARM9系列、ARM9E系列和ARM10E系列兼容，便于用户的产品升级换代。•主频最高可达130MIPS。•主要应用领域：工业控制、Internet设备、网络和调制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。[e-mail]NOLOGYARM7TDMI微处理器•4种类型：ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ。•ARM7TMDI是目前使用最广泛的32位嵌入式RISC处理器，属低端ARM处理器核。•注：“ARM核”并不是芯片，ARM核与其它部件如RAM、ROM、片内外设组合在一起才能构成现实的芯片。支持高密度16位的压缩Thumb指令集；支持片上调试Debug；支持64位乘法（Multiplier）；嵌入式Embeded-ICE,支持片上断点和调试点；ARM7TDMI的可综合（synthesizable）版本（软核），对应用工程师来说其编程模型与ARM7TDMI一致；[e-mail]NOLOGYARM7TDMI内部结构•组成：处理器核、用于边界扫描的TAP控制器、在线仿真器ICE。•双向数据总线D[31：0]被分割成单向输入和输出总线，以便于与外部存储器兼容。[e-mail]NOLOGYARM7TDMI的模块和内核框图ARM7TDMI模块地址寄存器寄存器组31*32位寄存器（6个状态寄存器）地址增量器乘法器桶形移位器32位ALU写数据寄存器指令流水线读数据寄存器Thumb指令译码器指令译码和逻辑控制ADDR[31:0]CLKCLENCFGBIGENDnIRQnFIQnRESETABORTLOCKWRITESIZE[1:0]PROT[1:0]TRANS[1:0]DBG输出DBG输入CP控制CP握手WDATA[31:0]RDATA[31:0]扫描调试控制A总线B总线ALU总线增量器总线PC总线[e-mail]NOLOGYARM7TDMI功能信号图[e-mail]NOLOGYARM9微处理器系列•ARM9系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。•5级整数流水线，•哈佛体系结构。•支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。•全性能的MMU，支持WindowsCE、Linux、PalmOS等多种主流嵌入式操作系统。•支持数据Cache和指令Cache，具有更高的指令和数据处理能力。•主要应用：无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数码照相机和数码摄像机。•3种类型：ARM920T、ARM922T和ARM940T。[e-mail]NOLOGYARM9E微处理器系列•单一处理器内核提供微控制器、DSP、Java应用系统的解决方案。•支持DSP指令集。•5级整数流水线，指令执行效率更高。•支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。•支持VFP9浮点处理协处理器。•全性能的MMU，支持WindowsCE、Linux、PalmOS等多种主流嵌入式操作系统。•MPU支持实时操作系统。•支持数据Cache和指令Cache，•主频最高可达300MIPS。•主要应用：下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、存储设备和网络设备等领域。•3种类型：ARM926EJ-S、ARM946E-S和ARM966E-S。[e-mail]NOLOGYARM10E微处理器系列•与同等的ARM9比较，在同样的时钟频率下，性能提高了近50%，功耗极低。•支持DSP指令集。•6级整数流水线，指令执行效率更高。•支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。•支持VFP10浮点处理协处理器。•全性能的MMU，支持WindowsCE、Linux、PalmOS等多种主流嵌入式操作系统。•支持数据Cache和指令Cache。•主频最高可达400MIPS。•内嵌并行读/写操作部件。•主要应用：下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、通信和信息系统等领域。•3种类型：ARM1020E、ARM1022E和ARM1026EJ-S。[e-mail]NOLOGYSecurCore微处理器系列•专为安全需要而设计，提