ARM體系結(jié)構(gòu)培訓(xùn)課件

1、第2章 ARM體系結(jié)構(gòu)10/10/1/40教學(xué)要求掌握嵌入式系統(tǒng)硬件平臺了解ARM體系結(jié)構(gòu)和指令集10/10/2/40本章內(nèi)容2.1 嵌入式系統(tǒng)硬件平臺2.2 嵌入式微處理器2.3 ARM微處理器體系結(jié)構(gòu)10/10/3/402.1 嵌入式系統(tǒng)硬件平臺10/10/4/401、嵌入式處理器嵌入式處理器組成處理器內(nèi)核地址總線數(shù)據(jù)總線控制總線片上I/O接口電路及輔助電路10/10/5/402、嵌入式系統(tǒng)中存放設(shè)備RAM、SRAM、DRAM RAM即是我們通常所說內(nèi)存。RAM又可分為SRAM（靜態(tài)存放器）和DRAM（動態(tài)存放器）Flash一個(gè)非易失閃存，它含有和ROM一樣掉電后數(shù)據(jù)不會丟失特征。Flas

2、h是當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)中廣泛采取主流存放器主要特點(diǎn)是按整體/扇區(qū)擦除和按字節(jié)編程，含有低功耗、高密度、小體積等優(yōu)點(diǎn)10/10/6/40FlashNOR FlashNAND Flash10/10/7/40NOR Flash在芯片內(nèi)執(zhí)行，能夠直接讀取芯片內(nèi)儲存數(shù)據(jù)，因而速度比較快。應(yīng)用程序直接在Flash內(nèi)運(yùn)行，無須把代碼讀到系統(tǒng)RAM中運(yùn)行地址線與數(shù)據(jù)線分開，能夠以“字”為基本單位操作寫操作需要擦除和寫入兩個(gè)過程，每次擦除只能擦除一個(gè)扇區(qū)，不能逐一字節(jié)擦除擦除速度慢，以64128KB塊為單位主要用于代碼存放介質(zhì)中最大可擦寫次數(shù)10萬次10/10/8/40NAND Flash不能直接在Flash內(nèi)運(yùn)行

3、應(yīng)用程序，需要將數(shù)據(jù)復(fù)制到RAM中運(yùn)行。 讀寫操作采取512字節(jié)塊，成本低。地址線、數(shù)據(jù)線共用。內(nèi)部數(shù)據(jù)以塊為單位進(jìn)行存放。擦除速度快，以832KB塊為單位容量大，適合數(shù)據(jù)存放。每個(gè)塊最大可擦寫次數(shù)超出100萬次10/10/9/403、JTAG接口JTAG（Joint Test Action Group，聯(lián)合測試行動小組）是一個(gè)國際標(biāo)準(zhǔn)測試協(xié)議（IEEE 1149.1兼容），主要用于芯片內(nèi)部測試。 10/10/10/40經(jīng)慣用簡易JTAG接口直接燒寫嵌入式系統(tǒng)Flash存放器。這種燒寫方式是經(jīng)過一根并口電纜和一塊信號轉(zhuǎn)換集成電路板以建立PC機(jī)與開發(fā)板之間通信。10/10/11/402.2 嵌入

4、式微處理器2.2.1 嵌入式處理器分類2.2.2 嵌入式微處理器選擇標(biāo)準(zhǔn)2.2.3 經(jīng)典嵌入式微處理器10/10/12/402.2.1 嵌入式處理器分類嵌入式片上系統(tǒng)SOC嵌入式處理器嵌入式微處理器MPU嵌入式微控制器MCU嵌入式DSP處理器10/10/13/40嵌入式微處理器將微處理器裝配在專門設(shè)計(jì)印制電路板上，只保留和嵌入式應(yīng)用精密相關(guān)功效硬件，去除其它冗余功效部件，配上必要外圍擴(kuò)展電路，大幅降低系統(tǒng)體積和功耗。主流嵌入式微處理器ARMMIPSPowerPCX86等10/10/14/40嵌入式微控制器最初表現(xiàn)形式是單片機(jī)將整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要硬件集成到一塊芯片上。主流MCUMCS51P51X

5、AMCS-251等10/10/15/40嵌入式數(shù)字信號處理器應(yīng)用于多媒體信號處理和各種帶有智能邏輯消費(fèi)類產(chǎn)品處理器必須含有能夠執(zhí)行數(shù)字信號處理算法和編譯效率較高特征代表性DSP產(chǎn)品TI企業(yè)TMS320系列Motorola企業(yè)DSP5600系列10/10/16/40嵌入式片上系統(tǒng)從整個(gè)系統(tǒng)功效和性能出發(fā)，用軟硬件結(jié)合設(shè)計(jì)和驗(yàn)證方法，將微處理器核和存放器等集成在單一芯片上。SoC可分為2類通用：Infineon企業(yè)TriCore、Motorola企業(yè)M-Core，一些ARM系列器件及Echelon企業(yè)和Motorola企業(yè)聯(lián)合研制Neuron芯片專用：Philips企業(yè)Smart XA10/10/

6、17/402.2.2 嵌入式微處理器選擇標(biāo)準(zhǔn)10/10/18/402.2.2 嵌入式微處理器選擇標(biāo)準(zhǔn)1、選擇哪一類處理單元2、選擇哪個(gè)廠商產(chǎn)品10/10/19/402.2.2 嵌入式微處理器選擇標(biāo)準(zhǔn)低成本低功耗恰當(dāng)處理能力技術(shù)指標(biāo)調(diào)查市場上已經(jīng)有CPU供給商適當(dāng)嵌入式操作系統(tǒng)支持與原有產(chǎn)品兼容編程語言限制上市時(shí)間處理器供給商是否提供開發(fā)板10/10/20/402.2.3 經(jīng)典嵌入式微處理器ARM處理器PowerPC處理器FPGA（Field Programmable Gate Array 現(xiàn)場可編程門陣列）SoC（System on Chip）10/10/21/402.3 ARM體系結(jié)構(gòu)和指令

7、集2.3.1 ARM企業(yè)介紹2.3.2 ARM系列微處理器2.3.3 ARM體系結(jié)構(gòu)和指令集10/10/22/402.3.1 ARM企業(yè)介紹ARM（Advanced RISC Machines），既能夠認(rèn)為是一個(gè)企業(yè)名字，也能夠認(rèn)為是對一類微處理器通稱，還能夠認(rèn)為是一個(gè)技術(shù)名字。ARM 企業(yè)是專門從事基于RISC 技術(shù)芯片設(shè)計(jì)開發(fā)企業(yè)，作為知識產(chǎn)權(quán)供給商，本身不直接從事芯片生產(chǎn)，靠轉(zhuǎn)讓設(shè)計(jì)許可，由合作企業(yè)生產(chǎn)各具特色芯片。 10/10/23/402.3.2 ARM系列微處理器 ARM7系列 ARM9/9E系列 ARM10E系列 SecurCore系列 IntelXscale IntelStro

8、ng ARM 10/10/24/40ARM系列處理器屬性比較項(xiàng)目ARM7 ARM9 ARM10 ARM11流水線深度3級 5級 6級 8級經(jīng)典頻率(MHz) 80 150 260 335功耗(mw/MHz)0.06 0.19(+cache) 0.5(+cache) 0.4(+cache) MIPS/MHz0.97 1.1 1.3 1.2架構(gòu) 馮.諾依曼 哈佛 哈佛 哈佛10/10/25/40哈佛總線體系結(jié)構(gòu) 馮諾依曼結(jié)構(gòu) 哈佛結(jié)構(gòu) 10/10/26/40嵌入式RISC和CISC微處理器RISC（Reduced Instruction Set Computer）精簡指令集計(jì)算機(jī)，重點(diǎn)是怎樣使計(jì)算

9、機(jī)結(jié)構(gòu)愈加簡單和怎樣使計(jì)算機(jī)處理速度愈加緊速，代表性通用系列有Atmel企業(yè)AT91系列、三星企業(yè)S3C系列、Marvell企業(yè)PXA系列等CISC基礎(chǔ)是CPU在不一樣應(yīng)用中將微處理器裝配在專門設(shè)計(jì)電路板上，只保留和嵌入式應(yīng)用相關(guān)功效，可減小系統(tǒng)體積和功耗。主要有Intel企業(yè)x86系列10/10/27/40RISC特點(diǎn)采取固定長度指令格式使用單周期指令，便于流水線操作執(zhí)行大量使用存放器10/10/28/40RISC和CISC之間主要區(qū)分指標(biāo)RISC CISC指令集 一個(gè)周期執(zhí)行一條指令， 指令長度不固定， 經(jīng)過簡單指令組合實(shí)現(xiàn) 執(zhí)行需要多個(gè)周期復(fù)雜操作，指令長度固定流水線 流水線每七天期前深

10、入指令執(zhí)行需要調(diào)用微代碼一個(gè)微程序存放器更多通用存放器專用存放器 Load/Store結(jié)構(gòu)獨(dú)立Load和Store指令處理器能夠直接處完成數(shù)據(jù)在存放器和外部理存放器中數(shù)據(jù)存放器之間傳輸10/10/29/40ARM設(shè)計(jì)思想（1）ARM微處理器被設(shè)計(jì)成較小核，降低功耗，延長電源使用時(shí)間。（2）存放量有限，這就要求嵌入式系統(tǒng)需要使用高密度代碼。（3）嵌入式系統(tǒng)對成本敏感，普通選取速度不高，成本較低存放器，以降低系統(tǒng)成本。（4）ARM內(nèi)核不是一個(gè)純粹RISC體系結(jié)構(gòu)，這是為使它能夠更加好地適應(yīng)其嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域。對嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用項(xiàng)目來說，系統(tǒng)關(guān)鍵并不單純在于微處理器速度，而在于系統(tǒng)性能、功耗和成本。10

11、/10/30/402.3.3 ARM體系結(jié)構(gòu)和指令集1、ARM體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)2、ARM處理器工作模式3、存放器組織4、ARM處理器尋址方式5、ARM處理器指令集10/10/31/401、ARM體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)ARM內(nèi)核采取RISC體系結(jié)構(gòu)主要特征：大量存放器Load/Store體系結(jié)構(gòu)每條指令都條件執(zhí)行多存放器Load/Store指令10/10/32/402、ARM處理器工作模式工作模式 簡寫 描述用戶模式(User) usr 正常程序執(zhí)行模式快速中止 模式 fiq一個(gè)高優(yōu)先級中止產(chǎn)生時(shí)進(jìn)入該(FIQ)模式，用于高速數(shù)據(jù)傳輸和通道外部中止模式 irq一個(gè)低優(yōu)先級中止產(chǎn)生時(shí)進(jìn)入該 (IRQ)模式，用于

12、通常中止處理特權(quán)模式(管理模式) svc復(fù)位或軟中止指令執(zhí)行時(shí)進(jìn)入該 (Supervisor)模式，操作系統(tǒng)使用保護(hù)模式中止模式 abt存取異常時(shí)進(jìn)入該模式，用于虛 (Abort)擬存放或存放保護(hù)未定義指令中止模式 und執(zhí)行未定義指令時(shí)進(jìn)入該模式， (Undef)用于經(jīng)過軟件仿真協(xié)處理器系統(tǒng)模式(System) sys使用和User模式相同存放器集模式，運(yùn)行特權(quán)級操作系統(tǒng)任務(wù)除用戶模式以外其它6種處理器模式稱為特權(quán)模式，其中快速中止模式、外部中止模式、特權(quán)模式、數(shù)據(jù)訪問中止模式、未定義指令中止模式稱為異常模式10/10/33/403、存放器組織10/10/34/40（1）通用存放器R0R15

13、未備份存放器(the unbanked register)R0R7沒有被系統(tǒng)用于特殊用途，而且在各模式下它們對應(yīng)同一個(gè)物理存放器備份存放器(the banked register)R8R14R8R12對應(yīng)兩組物理存放器R13、R14除了系統(tǒng)模式和用戶模式共用一組物理存放器外，其余模式都有各自物理存放器R15 ，程序計(jì)數(shù)器PC，用于標(biāo)識下一條將要執(zhí)行指令地址10/10/35/40（2）狀態(tài)存放器CPSR、SPSR當(dāng)前途序狀態(tài)存放器（Current Program Status Register ，CPSR ）在任何模式下都能夠被訪問，它包含了條件標(biāo)志位、中止標(biāo)志位、當(dāng)前處理器模式、以及其它一些狀

14、態(tài)和控制位備份程序狀態(tài)存放器（Saved Program Status Register，SPSR）在每種異常模式下都對應(yīng)一個(gè)物理存放器，當(dāng)有異常中止發(fā)生時(shí)，它用于保留CPSR內(nèi)容，方便異常返回后恢復(fù)異常中止發(fā)生前工作狀態(tài)。10/10/36/404、ARM處理器尋址方式馬上尋址：要操作數(shù)據(jù)直接包含在指令中存放器直接尋址：要操作數(shù)據(jù)存放在存放器中存放器間接尋址：存放器中存放操作數(shù)地址，操作數(shù)存放在內(nèi)存中基址尋址：操作數(shù)地址是基址存放器內(nèi)容與指令中給出指令地址和存放器移位尋址：第2個(gè)存放器操作數(shù)與第1個(gè)操作數(shù)結(jié)合之前，選擇進(jìn)行移位操作多存放器尋址：在存放器和存放器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，一次能夠傳送多個(gè)存放器值堆棧尋址：對堆棧空間進(jìn)行存取操作，一個(gè)能夠操作多個(gè)存放器單元10/10/37/405、ARM處理器指令集ARM處理器支持雙指令集32位ARM指令集16位Thumb指令集ARM指令集數(shù)據(jù)處理指令跳轉(zhuǎn)指令存放器操作指令程序狀態(tài)存放器傳輸指令異常中止指令協(xié)處理器傳輸指令10/10/38/40ARM9微處理器結(jié)構(gòu)最小系統(tǒng)嵌入式微處理器芯片自己是不能獨(dú)立工作，需要一些必要外圍元器件給它提供基本工作條件有最小系