《ARM體系結構cha》課件

ARM體系結構ARM體系結構是一種廣泛應用于嵌入式系統(tǒng)、移動設備和服務器的處理器架構。它以低功耗、高性能和靈活的特性而聞名。ARM體系結構簡介ARM體系結構是一種廣泛應用于嵌入式系統(tǒng)和移動設備的RISC（精簡指令集計算機）體系結構。它以低功耗、高性能和可擴展性而聞名，在智能手機、平板電腦、物聯(lián)網(wǎng)設備和工業(yè)控制系統(tǒng)中得到了廣泛應用。ARM處理器的發(fā)展歷程早期階段(1983-1990)ARM架構的早期發(fā)展，以ARM2為代表，主要應用于嵌入式系統(tǒng)，例如手機和PDA?？焖侔l(fā)展階段(1991-2000)ARM架構開始廣泛應用于各種嵌入式系統(tǒng)，并擴展到移動設備領域，例如手機、平板電腦等。成熟階段(2001-至今)ARM架構已成為最受歡迎的嵌入式系統(tǒng)處理器架構，其應用領域涵蓋了物聯(lián)網(wǎng)、智能家居、汽車電子等。ARM處理器的架構特點1精簡指令集ARM處理器采用精簡指令集，指令集較小，執(zhí)行速度快，適用于嵌入式系統(tǒng)。2負載/存儲架構ARM處理器采用負載/存儲架構，數(shù)據(jù)必須先加載到寄存器中，然后才能進行運算，提高了數(shù)據(jù)訪問效率。3流水線技術ARM處理器采用流水線技術，將指令執(zhí)行分成多個階段，同時執(zhí)行多個指令，提高了指令執(zhí)行效率。4低功耗設計ARM處理器采用低功耗設計，適用于移動設備、物聯(lián)網(wǎng)設備等。ARM指令集體系結構指令集概述ARM指令集是ARM處理器執(zhí)行的指令的集合。它定義了指令的語法、語義和執(zhí)行方式。ARM指令集的種類繁多，包括數(shù)據(jù)處理指令、數(shù)據(jù)傳輸指令、狀態(tài)控制指令等。指令集分類ARM指令集可分為ARM指令集和Thumb指令集。ARM指令集使用32位指令，而Thumb指令集使用16位指令。Thumb指令集比ARM指令集更緊湊，更適合嵌入式系統(tǒng)。指令集特點高效緊湊靈活ARM指令的分類數(shù)據(jù)處理指令進行算術、邏輯、移位操作等運算，例如加、減、乘、除、與、或、異或等操作。數(shù)據(jù)傳輸指令用于數(shù)據(jù)在內(nèi)存和寄存器之間進行傳遞，例如加載、存儲、移動等操作。分支指令改變程序執(zhí)行流程，例如跳轉、條件跳轉、循環(huán)等操作。狀態(tài)控制指令控制處理器狀態(tài)，例如設置狀態(tài)寄存器、改變處理器模式等操作。ARM指令的執(zhí)行流程1獲取指令從內(nèi)存中取出下一條指令2指令解碼解析指令的操作碼和操作數(shù)3指令執(zhí)行根據(jù)指令類型執(zhí)行相應操作4結果寫入將執(zhí)行結果寫入寄存器或內(nèi)存ARM指令執(zhí)行流程主要分為四個步驟：獲取指令、指令解碼、指令執(zhí)行和結果寫入。每個步驟都包含一系列的子操作，例如，在指令解碼步驟中，需要將指令的操作碼和操作數(shù)分別解析出來，以便后續(xù)的指令執(zhí)行操作。同時，在結果寫入步驟中，需要根據(jù)指令類型將執(zhí)行結果寫入相應的寄存器或內(nèi)存地址。ARM寄存器組織通用寄存器ARM處理器提供16個通用寄存器，用于存儲數(shù)據(jù)和地址。它們可以用于各種操作，包括算術、邏輯和內(nèi)存訪問。程序狀態(tài)寄存器(PSR)PSR保存處理器狀態(tài)信息，包括條件碼、中斷使能和模式位。它在程序執(zhí)行過程中維護程序的狀態(tài)。特殊功能寄存器(SFR)SFR用于控制和管理處理器的各種功能，例如中斷、異常處理和內(nèi)存管理。棧指針(SP)SP指向堆棧的當前位置，用于存儲函數(shù)調(diào)用參數(shù)、局部變量和返回值。ARM存儲器訪問方式尋址方式ARM處理器支持多種尋址方式，包括寄存器直接尋址、寄存器間接尋址、基址加偏移尋址、相對尋址、自增尋址、自減尋址等。這些尋址方式提供了靈活性和效率，可以根據(jù)不同的應用場景選擇合適的尋址方式來訪問內(nèi)存數(shù)據(jù)。ARM中斷處理機制中斷類型外部中斷內(nèi)部中斷中斷處理流程處理器識別中斷源，保存當前程序狀態(tài)，跳轉到中斷處理程序，執(zhí)行中斷處理，恢復程序狀態(tài)，返回中斷發(fā)生點。中斷優(yōu)先級多個中斷源同時發(fā)生時，根據(jù)優(yōu)先級決定哪個中斷先被處理。中斷向量表存放各個中斷處理程序的地址，用于快速找到對應中斷的處理程序。ARM異常處理機制11.異常類型ARM架構支持多種異常類型，包括中斷、數(shù)據(jù)或指令訪問錯誤、調(diào)試異常等。22.異常處理流程當發(fā)生異常時，處理器會保存當前狀態(tài)，跳轉到異常向量表，執(zhí)行相應的異常處理程序。33.異常向量表異常向量表包含了每個異常類型對應的異常處理程序的地址，是ARM異常處理機制的核心。44.異常返回異常處理程序完成后，處理器會恢復之前保存的狀態(tài)，返回到發(fā)生異常的指令處繼續(xù)執(zhí)行。ARM訪存指令加載指令從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)到寄存器。存儲指令將寄存器中的數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存。尋址模式ARM支持多種尋址模式，例如立即尋址、寄存器尋址、基址加偏移尋址等。數(shù)據(jù)對齊ARM要求數(shù)據(jù)對齊訪問，提高數(shù)據(jù)訪問效率。ARM數(shù)據(jù)傳輸指令LDR/STRLDR用于從內(nèi)存中加載數(shù)據(jù)到寄存器，STR用于將寄存器中的數(shù)據(jù)存儲到內(nèi)存中。LDM/STMLDM用于將多個數(shù)據(jù)從內(nèi)存加載到寄存器組，STM用于將多個寄存器組的數(shù)據(jù)存儲到內(nèi)存中。SWPSWP用于在原子操作中交換寄存器和內(nèi)存位置的值，確保數(shù)據(jù)的完整性。其他指令包括LDRB/STRB、LDRH/STRH用于處理字節(jié)和半字數(shù)據(jù)的傳輸。ARM算術邏輯指令加法指令ARM加法指令用于執(zhí)行兩個操作數(shù)的加法運算，并將結果存儲到目標寄存器中。例如，ADD指令將兩個寄存器的內(nèi)容相加，并將結果存儲到第三個寄存器中。減法指令ARM減法指令用于執(zhí)行兩個操作數(shù)的減法運算，并將結果存儲到目標寄存器中。例如，SUB指令將兩個寄存器的內(nèi)容相減，并將結果存儲到第三個寄存器中。乘法指令ARM乘法指令用于執(zhí)行兩個操作數(shù)的乘法運算，并將結果存儲到目標寄存器中。例如，MUL指令將兩個寄存器的內(nèi)容相乘，并將結果存儲到第三個寄存器中。除法指令ARM除法指令用于執(zhí)行兩個操作數(shù)的除法運算，并將結果存儲到目標寄存器中。例如，SDIV指令將兩個寄存器的內(nèi)容相除，并將結果存儲到第三個寄存器中。ARM移位指令邏輯左移邏輯左移指令將操作數(shù)的位向左移動指定的位數(shù)，空缺位用0填充。邏輯右移邏輯右移指令將操作數(shù)的位向右移動指定的位數(shù)，空缺位用0填充。算術右移算術右移指令將操作數(shù)的位向右移動指定的位數(shù)，空缺位用符號位填充。ARM狀態(tài)控制指令狀態(tài)控制指令概述狀態(tài)控制指令用于控制ARM處理器的工作狀態(tài)，例如：啟用或禁用中斷，設置處理器模式等。這些指令可以影響程序執(zhí)行流程，例如：切換處理器模式或改變處理器的工作狀態(tài)。常用狀態(tài)控制指令CPS指令用于更改處理器模式，可以切換到用戶模式、系統(tǒng)模式或其他模式。MRS和MSR指令用于讀取和寫入CPSR寄存器，CPSR包含處理器狀態(tài)信息。ARM流水線機制1指令獲取從內(nèi)存中獲取指令，準備執(zhí)行。2指令譯碼將指令轉換為機器碼，準備執(zhí)行。3執(zhí)行執(zhí)行指令操作，完成指令功能。4訪存訪問內(nèi)存，加載或存儲數(shù)據(jù)。5寫回將執(zhí)行結果寫入寄存器或內(nèi)存。ARM乘法和除法指令乘法指令ARM提供多種乘法指令，支持不同數(shù)據(jù)類型的乘法操作。除法指令ARM的除法指令用于執(zhí)行整數(shù)除法操作。寄存器操作乘法和除法指令通常將結果存儲在指定的寄存器中。ARM數(shù)據(jù)處理指令11.算術運算指令用于執(zhí)行加法、減法、乘法和除法等運算。22.邏輯運算指令用于執(zhí)行與、或、異或、非等邏輯運算。33.位操作指令用于執(zhí)行位移、旋轉和屏蔽等操作。44.比較指令用于比較兩個操作數(shù)的大小，設置條件碼。ARM分支指令條件分支根據(jù)條件碼的值決定是否跳轉到目標地址，實現(xiàn)條件執(zhí)行。無條件分支直接跳轉到目標地址，無論條件碼的值如何。子程序調(diào)用將當前指令地址壓入堆棧，跳轉到子程序的入口地址。子程序返回從堆棧中彈出返回地址，跳轉回調(diào)用程序。ARM協(xié)處理器指令1協(xié)處理器功能擴展協(xié)處理器指令用于擴展ARM處理器的功能，支持更強大的功能，如浮點運算、數(shù)字信號處理等。2指令格式協(xié)處理器指令通常包含協(xié)處理器編號、操作碼、數(shù)據(jù)類型和操作數(shù)等信息。3協(xié)處理器寄存器協(xié)處理器擁有自己的寄存器集，用于存儲操作數(shù)和中間結果。4協(xié)處理器訪問方式通過特定的指令訪問協(xié)處理器寄存器，完成數(shù)據(jù)處理和操作。ARMSIMD指令SIMD簡介SIMD（單指令多數(shù)據(jù)）指令集可以同時對多個數(shù)據(jù)進行操作，提高數(shù)據(jù)處理效率。ARMSIMD擴展ARM處理器提供多種SIMD擴展，如NEON、SVE等，支持不同的數(shù)據(jù)類型和操作。向量運算SIMD指令可以執(zhí)行向量運算，例如加法、減法、乘法和比較等操作。應用場景SIMD指令適用于圖像處理、視頻編碼、數(shù)字信號處理等需要大量數(shù)據(jù)處理的應用場景。ARMThumb指令集指令長度Thumb指令集中的指令長度為16位。指令集設計專門為嵌入式系統(tǒng)和資源受限設備設計。執(zhí)行效率比ARM指令集更小，執(zhí)行效率更高。ARMCortex-A系列處理器高性能應用Cortex-A系列處理器專為高性能應用而設計，包括智能手機、平板電腦、服務器和嵌入式系統(tǒng)。它們支持多種功能，例如多核處理、虛擬化和高級安全功能。應用場景Cortex-A系列處理器在各種應用中發(fā)揮著重要作用，例如移動設備、物聯(lián)網(wǎng)設備、工業(yè)自動化和數(shù)據(jù)中心。它們以其低功耗、高性能和可擴展性而聞名。產(chǎn)品系列Cortex-A系列處理器包含各種產(chǎn)品，例如Cortex-A5、Cortex-A7、Cortex-A9、Cortex-A15和Cortex-A72。每個產(chǎn)品都針對不同的性能和功耗要求進行了優(yōu)化。ARMCortex-R系列處理器高性能實時處理Cortex-R系列處理器針對實時應用進行了優(yōu)化，具有高性能、低延遲和確定性等特點，適用于工業(yè)自動化、汽車電子和網(wǎng)絡通信等領域。廣泛應用于實時系統(tǒng)Cortex-R系列處理器被廣泛應用于汽車電子、工業(yè)控制、網(wǎng)絡設備、醫(yī)療設備等需要實時處理的領域，確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行。獨特功能內(nèi)存保護單元(MPU)嵌套向量中斷控制器(NVIC)硬件調(diào)試功能ARMCortex-M系列處理器特點Cortex-M系列處理器專為微控制器應用設計，特點是低功耗，小尺寸，高性能和低成本，可用于各種嵌入式系統(tǒng)。應用Cortex-M系列處理器廣泛應用于各種嵌入式系統(tǒng)，例如物聯(lián)網(wǎng)設備，消費電子產(chǎn)品，工業(yè)自動化和醫(yī)療設備。ARM處理器在嵌入式系統(tǒng)中的應用移動設備ARM處理器廣泛應用于智能手機、平板電腦等移動設備，提供低功耗、高性能的計算能力。汽車電子汽車電子控制系統(tǒng)、儀表盤、車載娛樂系統(tǒng)等都采用ARM處理器，滿足汽車電子對可靠性和實時性的要求。工業(yè)控制ARM處理器應用于工業(yè)自動化、機器人控制、過程控制等領域，提供可靠、高效的控制方案。醫(yī)療設備醫(yī)療設備中，ARM處理器用于控制儀器、處理數(shù)據(jù)、進行實時監(jiān)測，提高醫(yī)療設備的精度和可靠性。ARM虛擬化技術ARM虛擬化技術概述ARM虛擬化技術允許在單個ARM處理器上運行多個操作系統(tǒng)或應用程序，提高資源利用率，降低成本。ARM虛擬化技術優(yōu)勢提高資源利用率，降低功耗，增強安全性，支持多種操作系統(tǒng)，廣泛應用于移動設備、嵌入式系統(tǒng)和云計算。ARM虛擬化技術類型主要包括全虛擬化和半虛擬化，全虛擬化提供完整的虛擬化環(huán)境，半虛擬化需要修改操作系統(tǒng)內(nèi)核才能運行。ARM虛擬化技術未來隨著云計算和移動設備的發(fā)展，ARM虛擬化技術將得到更廣泛的應用，并不斷完善和發(fā)展。ARM安全技術硬件安全ARM處理器設計包含安全功能，如內(nèi)存保護單元(MPU)和TrustZone技術，為關鍵代碼和數(shù)據(jù)提供保護。軟件安全ARM支持各種密碼算法，包括AES、RSA和SHA，以確保數(shù)據(jù)機密性和完整性。安全漏洞修復ARM積極參與安全漏洞修復工作，及時發(fā)布安全補丁以解決潛在漏洞，保障系統(tǒng)安全。ARM處理器的未來發(fā)展趨勢11.高性能計算ARM處理器將繼續(xù)提升性能，滿足對高性能計算的需求。22.人