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![第二章-ARM體系結(jié)構(gòu)課件_第2頁](http://file4.renrendoc.com/view/71535a40bdd65536623dd52f1611dffd/71535a40bdd65536623dd52f1611dffd2.gif)
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![第二章-ARM體系結(jié)構(gòu)課件_第4頁](http://file4.renrendoc.com/view/71535a40bdd65536623dd52f1611dffd/71535a40bdd65536623dd52f1611dffd4.gif)
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第二章ARM體系結(jié)構(gòu)ARM技術(shù)隨處可見第二章ARM體系結(jié)構(gòu)主要內(nèi)容:
2.1ARM簡介
2.2ARM體系結(jié)構(gòu)概述
2.3ARM微處理器的應(yīng)用選型2.1ARM簡介2.1.1ARM公司簡介2.1.2ARM微處理器ARM是什么?AdvancedRISCMachines一個公司的名字——英國知識產(chǎn)權(quán)核(IP)設(shè)計公司一類微處理器的通稱一種技術(shù)的名字(ARM微處理器核)2.1ARM簡介2.1.1ARM公司簡介ARM于1990年11月在英國倫敦成立 前身為Acorn計算機公司
AdvanceRISCMachine(ARM)全球領(lǐng)先的16/32位嵌入式RISC微處理器解決方案供應(yīng)商。ARM公司是知識產(chǎn)權(quán)(IP)公司,本身不生產(chǎn)芯片,靠轉(zhuǎn)讓設(shè)計許可,由合作伙伴公司來生產(chǎn)各具特色的芯片。目前,全世界有幾十家著名的半導(dǎo)體公司都使用ARM公司的授權(quán),其中包括摩托羅拉、IBM、Intel、SONY、NEC、LG、ATMEL等,從而保證了大量的開發(fā)工具和豐富的第三方資源,它們共同保證了基于ARM處理器核的設(shè)計可以很快投入市場。ARM公司已成為移動通信、手持設(shè)備、多媒體數(shù)字消費嵌入式解決方案的RISC標準。2004年全球半導(dǎo)體IP供應(yīng)商排名ARM的發(fā)展歷程1991年,ARM推出第一款RISC嵌入式微處理器核ARM6;1993年,ARM推出ARM7核;1995年,ARM的Thumb指令為16位系統(tǒng)增加了32位的性能,ARM提供了業(yè)界領(lǐng)先的代碼密度。ARM的業(yè)務(wù)模型OriginalEquipmentManufacturer2.1.2ARM微處理器8/16/32位嵌入式微處理器銷售額比較典型的嵌入式處理器MIPS處理器MIPS是世界上很流行的一種RISC處理器。MIPS的意思是“無內(nèi)部互鎖流水級的微處理器”(Microprocessorwithoutinterlockedpipedstages),其機制是盡量利用軟件辦法避免流水線中的數(shù)據(jù)相關(guān)問題。MIPS的定位很廣。有MIPS32和MIPS64兩種體系結(jié)構(gòu)。PowerPC處理器IBM推出的PowerPC處理器,應(yīng)用范圍很廣,主要面向大型通信設(shè)備、高端的工作站。ARM處理器的3大特點如下:小體積、低功耗、成本低、高性能;采用RISC指令集大量使用寄存器,指令執(zhí)行速度更快ARM/THUMB指令支持三/五級流水線高效的指令系統(tǒng),支持Thumb(16位)/ARM(32位)雙指令集,能很好的兼容8位/16位器件;全球眾多的合作伙伴。ARM處理器的特點當前ARM體系結(jié)構(gòu)的擴充包括:Thumb:16位指令集,用以改善代碼密度;DSP:用于DSP應(yīng)用的算術(shù)運算指令集;Jazeller:允許直接執(zhí)行Java代碼的擴充。ARM處理器系列提供的解決方案包括:在無線、消費電子和圖像應(yīng)用方面的開放平臺;存儲、自動化、工業(yè)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的嵌入式實時系統(tǒng);智能卡和SIM卡的安全應(yīng)用。ARM處理器的特點ARM微處理器微處理器核:ARM6,ARM7,ARM9,ARM10,ARM11擴展:Thumb,DSP,SIMD,Jazelleetc.其它IP核:UART,GPIO,memorycontrollers,etc2.2ARM體系結(jié)構(gòu)概述
2.2.1計算機體系結(jié)構(gòu)分類
2.2.2ARM體系結(jié)構(gòu)分類
2.2.2.1ARM體系結(jié)構(gòu)版本
2.2.2.2ARM微處理器內(nèi)核系列
2.2.2.3ARM微處理器的應(yīng)用馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)模型
指令寄存器控制器數(shù)據(jù)通道輸入輸出中央處理器存儲器程序指令0指令1指令2指令3指令4數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)0數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2總線2.2.1計算機體系結(jié)構(gòu)分類指令的執(zhí)行周期T:1)取指令(InstructionFetch):TF2)指令譯碼(InstructionDecode):TD3)執(zhí)行指令(InstructionExecute):TE4)存儲(Storage):TS每條指令的執(zhí)行周期:T=TF+TD+TE+TS2.2.1計算機體系結(jié)構(gòu)分類馮·諾依曼體系的特點馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)也稱普林斯頓結(jié)構(gòu),是一種將程序指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器合并在一起的存儲器結(jié)構(gòu)。1)數(shù)據(jù)與指令都存儲在同一存儲區(qū)中,取指令與取數(shù)據(jù)利用同一數(shù)據(jù)總線。2)被早期大多數(shù)計算機所采用3)ARM7——馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)簡單,但速度較慢。取指不能同時取數(shù)據(jù)。2.2.1計算機體系結(jié)構(gòu)分類哈佛體系結(jié)構(gòu)指令寄存器控制器數(shù)據(jù)通道輸入輸出中央處理器程序存儲器指令0指令1指令2數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)0數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2地址指令地址數(shù)據(jù)2.2.1計算機體系結(jié)構(gòu)分類哈佛體系結(jié)構(gòu)的特點:1)程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器分開,具有較高的執(zhí)行效率。其程序指令和數(shù)據(jù)指令分開組織和存儲的,執(zhí)行時可以預(yù)先讀取下一條指令。2)提供了較大的存儲器帶寬,各自有自己的總線。3)適合于數(shù)字信號處理4)大多數(shù)DSP都是哈佛結(jié)構(gòu)5)ARM9是哈佛結(jié)構(gòu)6)取指和取數(shù)在同一周期進行。
改進的哈佛體系結(jié)構(gòu)分成三個存儲區(qū):程序、數(shù)據(jù)、程序和數(shù)據(jù)共用。2.2.1計算機體系結(jié)構(gòu)分類2.2.2.1ARM體系結(jié)構(gòu)版本2.2.2.2ARM微處理器內(nèi)核系列2.2.2.3ARM微處理器的應(yīng)用2.2.2ARM體系結(jié)構(gòu)分類ARM系列產(chǎn)品表示:ARM926EJ-SFamilynumber7:ARM79:ARM910:ARM1011:ARM11Memorysystem
2:Cache,MMU,ProcessID4:Cache,MPU6:Writebuffer,nocacheMemorysize0:Cachesize(4-128KB)2:Reducedcachesize6:TCMSynthesizableExtensions
E:DSPextensionJ:Jazelleextension
T:Thumbsupport…2.2.2ARM體系結(jié)構(gòu)分類標志含義說明T支持Thumb指令集Thumb指令集版本1:ARMv4TThumb指令集版本2:ARMv5TThumb-2:ARMv6TD片上調(diào)試使處理器能夠停止,以響應(yīng)調(diào)試請求M支持長乘法32位乘32位得到64位,32位的乘加得到64位IEmbeddedICE提供片上斷點和調(diào)試點EDSP指令增加了DSP算法處理器指令:16位乘加指令,飽和的帶符號數(shù)的加減法,雙字數(shù)據(jù)操作,cache預(yù)取指令JJava加速器Jazelle提高java代碼的運行速度S可綜合提供VHDL或Verilog語言設(shè)計文件2.2.2ARM體系結(jié)構(gòu)分類
ARM處理器的分類:基于指令集體系結(jié)構(gòu)的分類:v1,v2,v5,v5TEJ,v6等基于處理器內(nèi)核的分類:ARM7,ARM9,ARM10,ARM11,StrongARM,XScale等2.2.2ARM體系結(jié)構(gòu)分類ARM架構(gòu)自誕生至今,已經(jīng)發(fā)生了很大的演變,至今已定義的版本有: V1版架構(gòu) V2版架構(gòu) V3版架構(gòu) V4版架構(gòu) V5版架構(gòu)
V6版架構(gòu)2.2.2.1ARM體系結(jié)構(gòu)版本V1版架構(gòu)該版架構(gòu)只在原型機ARM1出現(xiàn)過,其基本性能:基本的數(shù)據(jù)處理指令(無乘法)字節(jié)、半字和字的LOAD/STORE指令轉(zhuǎn)移指令,包括子程序調(diào)用及鏈接指令軟件中斷指令尋址空間:64M字節(jié)(26bit地址總線)2.2.2.1ARM體系結(jié)構(gòu)版本V2版架構(gòu)該版架構(gòu)對V1版進行了擴展,如ARM2架構(gòu),增加了以下功能:乘法和乘加指令支持協(xié)處理器操作指令快速中斷模式SWP/SWPB基本存儲器與寄存器交換指令尋址空間:64M字節(jié)(26bit地址總線)2.2.2.1ARM體系結(jié)構(gòu)版本V3版架構(gòu)把尋址空間增至32位(4G字節(jié)),結(jié)構(gòu)擴展變化為
T—16位壓縮指令集
M—增強型乘法器,產(chǎn)生全64位結(jié)果(32X3264or32X32+6464)增加了當前程序狀態(tài)寄存器CPSR和程序狀態(tài)保存寄存器SPSR(SavedProgramStatusRegister,備份的程序狀態(tài)寄存器),以便于異常的處理。增加了中止和未定義二種處理器模式。ARM6就采用該版架構(gòu)。指令集變化如下:增加了MRS/MSR指令,以訪問新增的CPSR/SPSR寄存器。增加了從異常處理返回的指令功能。2.2.2.1ARM體系結(jié)構(gòu)版本V4版架構(gòu)V4版架構(gòu)是目前應(yīng)用最廣的ARM體系結(jié)構(gòu),對V3版架構(gòu)進行了進一步擴充,有的還引進了16位的Thumb指令集,使ARM使用更加靈活。ARM7、ARM8、ARM9和StrongARM都采用該版架構(gòu)。指令集中增加了以下功能:有符號、無符號的半字和有符號字節(jié)的Load/Store指令。增加了16位Thumb指令集完善了軟件中斷SWI指令的功能增加了處理器的特權(quán)模式。2.2.2.1ARM體系結(jié)構(gòu)版本V5版架構(gòu)這是最近幾年推出ARM架構(gòu),在V4版基本上增加了一些新的指令,ARM10和XScale都采用該版架構(gòu),改進了ARM和Thumb之間的交互,結(jié)構(gòu)擴展變化為:E---增強型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,提供字節(jié)代碼執(zhí)行的硬件和優(yōu)化軟件加速功能新增指令有:帶有鏈接和交換的轉(zhuǎn)移BLX指令計數(shù)前導(dǎo)零CLZ指令BKPT軟件斷點指令增加了信號處理指令為協(xié)處理器增加更多可選擇的指令2.2.2.1ARM體系結(jié)構(gòu)版本v6版架構(gòu)2001年發(fā)布的適合使用電池供電的便攜式設(shè)備增加了
SIMD功能擴展,提高了嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的音頻、視頻處理能力。首先在2002年發(fā)布的ARM11處理器中使用2.2.2.1ARM體系結(jié)構(gòu)版本2.2.2.2ARM微處理器內(nèi)核系列ARM微處理器目前包括下面幾個系列,除了具有ARM體系結(jié)構(gòu)的共同特點以外,每一個系列的ARM微處理器都有各自的特點和應(yīng)用領(lǐng)域。-ARM7系列-ARM9系列-ARM9E系列-ARM10E系列-SecurCore系列-Inter的Xscale
-Inter的StrongARM
其中,ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10為4個通用處理器系列,每一個系列提供一套相對獨特的性能來滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求。SecurCore系列專門為安全要求較高的應(yīng)用而設(shè)計。ARM處理器內(nèi)核系列:ARM7FamilyUnifiedCache內(nèi)存管理流水線級別ThumbDSPJazelleARM7TDMI無無3有無無ARM7TDMI-S無無3有無無ARM710T/720T8kMMU3有無無ARM740T8k或4kProtectionUnit3有無無ARM7EJ-S無無3有有有2.2.2.2ARM微處理器內(nèi)核系列ARM7微處理器ARM7采用馮·諾依曼(Von-Neumann)結(jié)構(gòu),數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器重合在一起。同時,此結(jié)構(gòu)也被大多數(shù)計算機所采用。ARM7為三級流水線結(jié)構(gòu)(取指,譯碼,執(zhí)行),平均功耗為0.6mW/MHz,時鐘速度為66MHz,每條指令平均執(zhí)行1.9個時鐘周期。ARM7系列微處理器包括如下幾種類型的核:ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ。ARM7TMDI是目前使用最廣泛的32位嵌入式RISC處理器,屬低端ARM處理器核。TDMI的基本含義為:
T:支持16為壓縮指令集Thumb;
D:支持片上Debug;
M:內(nèi)嵌硬件乘法器(Multiplier)
I:嵌入式ICE,支持片上斷點和調(diào)試點(InCircuitEmulation在線仿真);ARM9FamilyCache內(nèi)存管理流水線級別ThumbDSPJazelleARM9TDMI無無5有無無ARM920T16K/16kMMU5有無無ARM922T8k/8kMMU5有無無ARM940T4k/4kProtectionUnit5有無無ARM9微處理器ARM7采用的Neumann結(jié)構(gòu),取指令和取操作數(shù)都是通過一條總線分時進行,這樣,在高速運算時,不但不能同時取指令和取操作數(shù),而且還會造成傳輸通道上的瓶頸現(xiàn)象。ARM9采用哈佛(Harvard)結(jié)構(gòu),程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器分開,提供了較大的存儲器帶寬。同時,大多數(shù)DSP都采用此結(jié)構(gòu)。ARM9為五級流水(取指,譯碼,執(zhí)行,緩沖/數(shù)據(jù),回寫),平均功耗為0.7mW/MHz。時鐘速度為120MHz-200MHz,每條指令平均執(zhí)行1.5個時鐘周期。ARM9系列微處理器包含ARM920T、ARM922T和ARM940T三種類型,以適用于不同的應(yīng)用場合。ARM10FamilyARM10EJ-S無無6有有有ARM1026EJ-S0,4-128k/0,4-128kMMU6有有有Cache內(nèi)存管理流水線級別ThumbDSPJazelleARM10E無無6有有無ARM1020E32k/32kMMU6有有無ARM1022E16k/16kMMU6有有無ARM10TDMI無無6有無無ARM1020T32k/32kMMU6有無無ARM11FamilyCache內(nèi)存管理流水線級別ThumbDSPJazelle浮點運算ARM1136J-S4-64kMMU8有有有無ARM1136JF-S4-64kMMU8有有有有ARM1156T2-S可配置9Thumb-2有無無ARM1156T2F-S可配置9Thumb-2有無有指令集體系結(jié)構(gòu)(ISA)ThumbDSPJazelleMediaTrustZoneThumb-2v4StrongARMv4T*ARM7T,ARM9v5T*ARM10T,XScalev5TE**ARM9E,ARM10Ev5TEJ***ARM7EJ,ARM9EJ,ARM10EJv6****ARM1136J(F)-Sv6Z*****v6T2*****ARM1156T2(F)-S注:v5T支持的Thumb是對v4T中的Thumb的擴展ARM體系結(jié)構(gòu)更新體系結(jié)構(gòu)變化
–1THUMB指令集
(‘T’)THUMB指令集:32位ARM指令集的子集,按16位指令重新編碼代碼尺寸小
(upto40%compression)簡化設(shè)計體系結(jié)構(gòu)變化
-2長乘法指令
(‘M’)32x32=64bit.提供全64位結(jié)果增強DSP指令集
(‘E’)可附加在ARM中的DSP指令64bit轉(zhuǎn)換在v5版本中第一次推出處理器內(nèi)核的變化D:在片調(diào)試.處理器可響應(yīng)調(diào)試暫停請求I:EmbeddedICE.支持片上斷點調(diào)試體系結(jié)構(gòu)變化
-3ARMDSP指令集對于音頻DSP應(yīng)用提供高達70%的處理速度Jazelle提供比基于軟件的JAVA虛擬機(JVM)更高的性能
與非JAVA加速核相比,提供8倍JAVA加速性能和降低80%的功耗
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