《ARM硬件結(jié)構(gòu)》課件

ARM硬件結(jié)構(gòu)本節(jié)課介紹ARM架構(gòu)的硬件組成。從ARM處理器核心到外設(shè)，涵蓋了ARM系統(tǒng)的主要硬件模塊。ARM處理器簡(jiǎn)介高性能低功耗ARM處理器以其高性能和低功耗而聞名，廣泛應(yīng)用于移動(dòng)設(shè)備、嵌入式系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。架構(gòu)設(shè)計(jì)ARM處理器采用精簡(jiǎn)指令集架構(gòu)（RISC），指令集簡(jiǎn)單、執(zhí)行效率高，有利于降低功耗和提高性能。應(yīng)用廣泛從智能手機(jī)和平板電腦到工業(yè)控制系統(tǒng)和汽車電子，ARM處理器在各個(gè)領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用。ARM處理器架構(gòu)分類應(yīng)用處理器針對(duì)通用計(jì)算任務(wù)優(yōu)化，例如智能手機(jī)、平板電腦等微控制器主要用于嵌入式系統(tǒng)，例如汽車、工業(yè)設(shè)備等圖形處理器專為圖形處理和加速任務(wù)而設(shè)計(jì)，例如游戲、視頻等網(wǎng)絡(luò)處理器針對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信優(yōu)化，例如路由器、交換機(jī)等ARM指令集架構(gòu)11.指令集類型ARM指令集分為兩種：Thumb指令集和ARM指令集，Thumb指令集更緊湊，而ARM指令集更強(qiáng)大。22.指令格式ARM指令集采用固定長(zhǎng)度的32位指令格式，每個(gè)指令包含操作碼、操作數(shù)和地址信息。33.指令類型ARM指令集包含各種類型的指令，例如數(shù)據(jù)傳輸、算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、條件執(zhí)行、跳轉(zhuǎn)、中斷處理等。44.指令集版本ARM指令集不斷更新，最新版本為ARMv8-A，引入了新的指令集擴(kuò)展，增強(qiáng)了性能和功能。ARM6系列處理器ARM6系列處理器是ARM公司推出的早期處理器架構(gòu)，在1990年代被廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)和移動(dòng)設(shè)備。ARM6系列處理器主要包括ARM610和ARM620，它們擁有更強(qiáng)大的指令集和改進(jìn)的性能，例如支持浮點(diǎn)運(yùn)算和Thumb指令集。ARM6系列處理器在當(dāng)時(shí)帶來(lái)了顯著的性能提升，為移動(dòng)設(shè)備的快速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。ARM7系列處理器ARM7系列處理器是ARM公司推出的一系列低功耗、高性能處理器。ARM7系列處理器廣泛應(yīng)用于各種嵌入式設(shè)備，例如手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、MP3播放器等。ARM7系列處理器通常具有以下特點(diǎn)：低功耗、高性能、成本低、易于集成等。ARM9系列處理器ARM9系列處理器是ARM公司于2000年發(fā)布的處理器架構(gòu)，它是ARM7系列的后續(xù)版本。ARM9系列處理器在性能、功耗和成本方面都比ARM7系列有所提升。ARM9系列處理器采用了更高效的流水線設(shè)計(jì)和更快的時(shí)鐘頻率，從而提高了性能。同時(shí)，ARM9系列處理器還采用了更先進(jìn)的工藝技術(shù)，降低了功耗和成本。ARM9系列處理器在嵌入式系統(tǒng)、移動(dòng)設(shè)備、消費(fèi)電子產(chǎn)品等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。ARM9系列處理器分為ARM9E和ARM9TDMI兩個(gè)版本。ARM9E版本是ARM9系列的標(biāo)準(zhǔn)版本，而ARM9TDMI版本則支持Thumb指令集擴(kuò)展。Thumb指令集擴(kuò)展可以讓程序代碼變得更小，從而降低了內(nèi)存占用和功耗。ARM9系列處理器還支持多種外設(shè)接口，例如串行接口、并行接口、定時(shí)器、中斷控制器等，方便用戶開(kāi)發(fā)各種應(yīng)用程序。ARM11系列處理器高性能ARM11處理器采用32位架構(gòu)，擁有更強(qiáng)大的處理能力，能夠滿足更高性能需求的應(yīng)用。改進(jìn)的架構(gòu)ARM11處理器架構(gòu)經(jīng)過(guò)優(yōu)化，例如指令流水線和緩存機(jī)制，提高了執(zhí)行效率和數(shù)據(jù)訪問(wèn)速度。廣泛應(yīng)用ARM11處理器廣泛應(yīng)用于各種嵌入式設(shè)備，例如智能手機(jī)、平板電腦、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。開(kāi)發(fā)支持ARM11處理器擁有豐富的開(kāi)發(fā)工具和資源，為開(kāi)發(fā)者提供便利的開(kāi)發(fā)環(huán)境。ARMCortex-A系列處理器ARMCortex-A系列處理器是高性能處理器，應(yīng)用于移動(dòng)設(shè)備、嵌入式系統(tǒng)和服務(wù)器。Cortex-A系列處理器具有高性能、低功耗的特點(diǎn)，并支持多種功能，例如虛擬化、安全性和多媒體處理。該系列處理器在移動(dòng)設(shè)備和嵌入式系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，例如智能手機(jī)、平板電腦、機(jī)頂盒和工業(yè)控制系統(tǒng)。ARMCortex-R系列處理器ARMCortex-R系列處理器專為實(shí)時(shí)應(yīng)用設(shè)計(jì)，如電機(jī)控制、汽車電子和工業(yè)自動(dòng)化。該系列處理器具有高性能、低功耗和確定性響應(yīng)時(shí)間等特點(diǎn)，適合需要實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和高精度控制的應(yīng)用場(chǎng)景。Cortex-R系列處理器通常配備硬件加速器，例如浮點(diǎn)運(yùn)算單元和數(shù)字信號(hào)處理引擎，以提升性能和效率。此外，該系列處理器還支持多種安全功能，例如內(nèi)存保護(hù)和加密引擎，以確保系統(tǒng)安全性和可靠性。ARMCortex-M系列處理器ARMCortex-M系列處理器專門針對(duì)微控制器應(yīng)用而設(shè)計(jì)，具有高性能、低功耗和緊湊的特性。它們通常用于嵌入式系統(tǒng)，例如汽車、工業(yè)自動(dòng)化和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。Cortex-M系列擁有廣泛的型號(hào)，涵蓋不同的性能和功能要求。這些處理器包含專門針對(duì)特定應(yīng)用優(yōu)化的功能，例如數(shù)字信號(hào)處理（DSP）和安全增強(qiáng)功能。ARMv8-A架構(gòu)處理器64位架構(gòu)ARMv8-A架構(gòu)處理器支持64位指令集，提供更大的地址空間和數(shù)據(jù)處理能力，適用于高性能計(jì)算、數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用。性能提升ARMv8-A架構(gòu)引入了新的指令集和硬件優(yōu)化，顯著提升了處理器性能，例如增強(qiáng)了分支預(yù)測(cè)和緩存機(jī)制。虛擬化支持ARMv8-A架構(gòu)支持硬件虛擬化，允許在一個(gè)物理處理器上運(yùn)行多個(gè)虛擬機(jī)，提高資源利用率和安全性。安全特性ARMv8-A架構(gòu)增加了安全擴(kuò)展，例如TrustZone技術(shù)，可以隔離敏感數(shù)據(jù)和代碼，增強(qiáng)系統(tǒng)安全性。ARMv8-R架構(gòu)處理器實(shí)時(shí)應(yīng)用優(yōu)化ARMv8-R架構(gòu)處理器專為實(shí)時(shí)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，例如工業(yè)自動(dòng)化和汽車電子。該架構(gòu)提供低延遲、高性能和確定性執(zhí)行，以滿足實(shí)時(shí)系統(tǒng)的嚴(yán)格要求。安全特性增強(qiáng)ARMv8-R架構(gòu)處理器包含增強(qiáng)安全特性，例如內(nèi)存保護(hù)單元和硬件加密引擎，以確保系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的完整性。這對(duì)于安全關(guān)鍵型應(yīng)用程序至關(guān)重要。ARMv8-M架構(gòu)處理器面向嵌入式應(yīng)用ARMv8-M架構(gòu)處理器專門為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具有低功耗、高性能和安全性的特點(diǎn)。適用于IoT設(shè)備、工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。核心特性支持32位和64位指令集，可以根據(jù)應(yīng)用需求選擇合適的指令集。內(nèi)置安全擴(kuò)展，可以增強(qiáng)嵌入式系統(tǒng)的安全性，抵御惡意攻擊。AMBA總線協(xié)議高級(jí)微系統(tǒng)總線架構(gòu)AMBA是ARM公司定義的一種片上系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)。它提供了一個(gè)靈活的架構(gòu)，允許將不同的組件連接到ARM處理器。AMBA協(xié)議規(guī)范AMBA定義了總線協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，包括信號(hào)、時(shí)序和協(xié)議規(guī)則。這些規(guī)范確保了不同組件之間的互操作性。AMBA總線類型AMBA定義了不同類型的總線，例如AHB、APB和AXI。不同類型的總線針對(duì)不同的應(yīng)用需求，提供不同的性能和特性。AXI總線協(xié)議高性能AXI總線協(xié)議是ARM公司推出的高性能、高帶寬總線協(xié)議。同步傳輸AXI總線使用同步傳輸方式，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。多主控AXI總線支持多個(gè)主控設(shè)備同時(shí)訪問(wèn)內(nèi)存和其他外設(shè)?？蓴U(kuò)展性AXI總線可擴(kuò)展性強(qiáng)，支持各種不同的系統(tǒng)配置。ACE總線協(xié)議11.高性能總線ACE總線協(xié)議是一種高性能、低延遲的通信協(xié)議，旨在滿足ARM處理器和片上系統(tǒng)(SoC)中高速外設(shè)的連接需求。22.靈活擴(kuò)展ACE總線協(xié)議支持多主控和多從控，并提供靈活的配置選項(xiàng)，以滿足各種系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)需求。33.低功耗ACE總線協(xié)議通過(guò)優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸和控制信號(hào)，可以有效降低功耗，適合各種應(yīng)用場(chǎng)景。44.廣泛應(yīng)用ACE總線協(xié)議廣泛應(yīng)用于ARM處理器、SoC和嵌入式系統(tǒng)，例如移動(dòng)設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)自動(dòng)化。AHB總線協(xié)議高性能總線協(xié)議AHB總線是ARM公司定義的高性能總線協(xié)議，廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，適用于高速設(shè)備連接。它支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)500MHz，并提供了先進(jìn)的特性，如突發(fā)傳輸、錯(cuò)誤檢測(cè)和糾正。優(yōu)勢(shì)AHB總線提供了更高的帶寬和更快的響應(yīng)速度，使得高速外設(shè)能夠與處理器進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)交換。同時(shí)，AHB總線還支持多種數(shù)據(jù)傳輸模式，可以滿足不同外設(shè)的傳輸需求。APB總線協(xié)議異步周邊總線協(xié)議用于連接低速外設(shè)，如UART、I2C、SPI，與AHB相比，APB具有較低的帶寬和更高的延遲，但更簡(jiǎn)單且功耗更低。異步傳輸APB使用異步時(shí)鐘，發(fā)送器和接收器可以工作在不同的時(shí)鐘頻率上。主從架構(gòu)APB總線采用主從架構(gòu)，APB主控制器負(fù)責(zé)控制數(shù)據(jù)傳輸，APB從設(shè)備響應(yīng)請(qǐng)求。ARM內(nèi)存管理單元虛擬內(nèi)存內(nèi)存管理單元（MMU）允許ARM處理器使用虛擬內(nèi)存，從而提高內(nèi)存效率并增強(qiáng)系統(tǒng)安全性。內(nèi)存訪問(wèn)控制MMU通過(guò)內(nèi)存訪問(wèn)控制機(jī)制保護(hù)操作系統(tǒng)內(nèi)核和用戶程序之間的隔離，防止數(shù)據(jù)被非法訪問(wèn)。地址轉(zhuǎn)換MMU將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址，以便處理器訪問(wèn)實(shí)際的內(nèi)存地址。內(nèi)存映射MMU支持各種內(nèi)存映射模式，包括線性映射、分頁(yè)映射和段映射，以適應(yīng)不同的系統(tǒng)需求。ARM中斷控制器中斷處理中斷控制器管理來(lái)自外設(shè)或內(nèi)部事件的中斷請(qǐng)求，并將其傳遞給CPU處理。中斷優(yōu)先級(jí)控制器根據(jù)優(yōu)先級(jí)排序中斷請(qǐng)求，確保重要事件得到優(yōu)先處理。中斷配置允許開(kāi)發(fā)者配置中斷行為，例如中斷類型、優(yōu)先級(jí)和響應(yīng)方式。ARM電源管理1低功耗模式ARM處理器支持多種低功耗模式，例如睡眠模式和休眠模式，以減少功耗。2動(dòng)態(tài)電壓和頻率調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)調(diào)整電壓和頻率以匹配工作負(fù)載，從而降低功耗。3電源管理單元ARM處理器通常集成了電源管理單元(PMU)，用于管理電源狀態(tài)和功耗。4電源域ARM架構(gòu)支持劃分電源域，使特定模塊在不需要時(shí)可以關(guān)閉。ARM安全擴(kuò)展安全啟動(dòng)ARM安全擴(kuò)展提供安全啟動(dòng)功能，確保設(shè)備啟動(dòng)時(shí)加載的代碼是可信的。這有助于防止惡意軟件攻擊和未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)。內(nèi)存保護(hù)ARM安全擴(kuò)展提供了內(nèi)存保護(hù)功能，確保敏感數(shù)據(jù)和關(guān)鍵代碼免受未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)。加密ARM安全擴(kuò)展提供了加密功能，可以用于保護(hù)數(shù)據(jù)和代碼，防止未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)。身份驗(yàn)證ARM安全擴(kuò)展提供了身份驗(yàn)證功能，可以確保設(shè)備和用戶的身份信息安全。ARM調(diào)試接口1JTAG接口JTAG接口是ARM處理器最常用的調(diào)試接口，可用于加載程序、單步執(zhí)行、設(shè)置斷點(diǎn)等。2SWD接口SWD接口比JTAG接口更小，僅需兩個(gè)引腳即可實(shí)現(xiàn)調(diào)試功能，適用于空間受限的應(yīng)用。3ETM接口ETM接口提供更高級(jí)的調(diào)試功能，可用于跟蹤程序執(zhí)行過(guò)程和分析代碼性能。4調(diào)試工具ARM提供了多種調(diào)試工具，例如ARMRealViewDebugger和SEGGERJ-Link，可用于連接和調(diào)試ARM處理器。ARM性能監(jiān)控性能計(jì)數(shù)器ARM處理器包含專門的性能計(jì)數(shù)器，可用于監(jiān)控各種性能指標(biāo)，例如指令周期、緩存命中率和分支預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。性能分析工具ARM提供各種性能分析工具，如性能監(jiān)控單元（PMU）和性能計(jì)數(shù)器，用于收集和分析性能數(shù)據(jù)。性能優(yōu)化性能監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)可用于識(shí)別性能瓶頸并優(yōu)化代碼和硬件配置，以提高應(yīng)用程序性能。ARM實(shí)時(shí)時(shí)鐘實(shí)時(shí)時(shí)鐘實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)為系統(tǒng)提供精確的時(shí)間跟蹤。時(shí)間和日期RTC保持時(shí)間和日期信息，即使系統(tǒng)電源關(guān)閉。定時(shí)器RTC可以用作定時(shí)器，觸發(fā)特定時(shí)間的事件。ARM通用定時(shí)器計(jì)時(shí)功能ARM通用定時(shí)器可以精確地測(cè)量時(shí)間間隔，并生成周期性中斷，用于系統(tǒng)計(jì)時(shí)、延時(shí)等。靈活配置支持多種工作模式，包括定時(shí)器模式、計(jì)數(shù)器模式、脈沖寬度調(diào)制（PWM）模式，滿足各種應(yīng)用需求。多路定時(shí)器ARM處理器通常集成了多個(gè)通用定時(shí)器，可以獨(dú)立控制不同的定時(shí)任務(wù)，提高系統(tǒng)效率。ARM外設(shè)接口11.通用串行接口(UART)用于與外部設(shè)備進(jìn)行異步串行通信，例如鍵盤、鼠標(biāo)和顯示器。22.通用并行接口(GPIO)允許微控制器直接控制外部設(shè)備的輸入和輸出信號(hào)。33.計(jì)時(shí)器/計(jì)數(shù)器提供精確的定時(shí)和計(jì)數(shù)功能，用于控制系統(tǒng)時(shí)間、定時(shí)器中斷和PWM信號(hào)生成。44.模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，用于采集傳感器數(shù)據(jù)，例如溫度、壓力和光照強(qiáng)度。ARM信號(hào)處理數(shù)字信號(hào)處理器ARM架構(gòu)處理器常集成DSP，用于音頻、視頻等信號(hào)處理。DSP提供高效的算法和指令集，優(yōu)化信號(hào)處理效率。硬件加速器例如音頻解碼、視頻編碼等專用硬件加速器，加速多媒體信號(hào)處理，提高性能。軟件庫(kù)和工具ARM提供各種軟件庫(kù)和工具，如FFT、FIR濾波器等，方便開(kāi)發(fā)者進(jìn)行信號(hào)處理開(kāi)發(fā)。ARM多媒體處理