嵌入式系统设计与实例开发 第三章 基于ARM的处理器体系结构,主要内容,3.1 ARM体系结构 3.1.1 ARM微处理器结构 3.1.2 ARM工作状态 3.1.3 ARM微处理器的寄存器组织 3.1.4 ARM微处理器的指令结构 3.2 ARM9处理器简介 3.2.1 与ARM7处理器的比较 3.2.2 OMAP5912处理器简介,ARM简介,ARM即Advanced RISC Machines的缩写。 1985年4月26日，第一个ARM原型在英国剑桥的Acorn计算机有限公司诞生，由美国加州San Jose VLSI技术公司制造。 20世纪80年代后期，ARM很快开发成Acorn的台式机产品，形成英国的计算机教育基础。 1990年成立了Advanced RISC Machines Limited。,ARM简介,ARM公司是知识产权供应商，是设计公司。由合作伙伴公司来生产各具特色的芯片。 ARM公司商业模式的强大之处在于其价格合理，全世界范围有超过100个合作伙伴-包括半导体工业的著名公司。ARM公司专注于设计，其内核耗电少、成本低、功能强，特有16/32位双指令集。ARM已成为移动通信、手持计算、多媒体数字消费等嵌入式解决方案的RISC标准。,3.1 ARM体系结构,3.1.1 ARM微处理器结构 1. RISC设计思想 传统的复杂指令集计算机（Complex Instruction Set Computer，CISC）结构有其固有的缺点，即随着计算机技术的发展而不断引入新的复杂的指令集，为支持这些新增的指令，计算机的体系结构会越来越复杂。,3.1.1 ARM微处理器结构,1. RISC设计思想 1979年美国加州大学伯克利分校提出了RISC的概念。 RISC并非只是简单地去减少指令。RISC是一种设计思想，其目标是设计出一套能在高时钟频率下单周期执行、简单而有效的指令集。 RISC的设计重点在于降低由硬件执行的指令的复杂度，因为软件比硬件容易提供更大的灵活性和更高的智能。因此，RICS设计对编译器有更高的要求。,3.1.1 ARM微处理器结构,CISC与RISC的不同,RISC和CISC之间的主要区别,RISC的4个设计准则,（1）指令集 RISC处理器减少了指令种类。RISC的指令种类只提供简单的操作，使一个周期就可以执行一条指令。编译器或者程序员通过几条简单指令的组合来实现一个复杂的操作（如除法操作）。 RISC采用定长指令集，每条指令的长度都是固定的，允许流水线在当前指令译码阶段去取其下一条指令；而在CISC处理器中，指令长度通常不固定，执行也需要多个周期。,RISC的4个设计准则,（2）流水线 指令的处理过程被拆分成几个更小的、能够被流水线并行执行的单元。在理想情况下，流水线每周期前进一步，可获得最高的吞吐率；而CISC指令的执行需要调用微代码的一个微程序。,RISC的4个设计准则,（3）寄存器 RISC处理器拥有更多的通用寄存器。每个寄存器都可存放数据或地址。寄存器可为所有的数据操作提供快速的局部存储访问；而CISC处理器都是用于特定目的的专用寄存器。,RISC的4个设计准则,（4）Load/Store结构 处理器只处理寄存器中的数据。独立的load和store指令用来完成数据在寄存器和外部存储器之间的传送。因为访问存储器很耗时，所以把存储器访问和数据处理分开。这样有一个好处，就是可反复地使用保存在寄存器中的数据，而避免多次访问存储器，从而达到提高程序执行性能的目的。,3.1.1 ARM微处理器结构,2. ARM设计思想 为了使ARM指令集能够更好地满足嵌入式应用的需要，ARM指令集和单纯的RISC定义有以下几个方面的不同： 一些特定的指令周期数可变 内嵌桶形移位器产生了更为复杂的指令 Thumb 16位指令集 条件执行,3.1.1 ARM微处理器结构,3. ARM微处理器系列分类及ARM体系的变种 当前应用较为广泛的ARM微处理器核有ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E产品系列，每个系列都提供了一套特定的性能来满足设计者对功耗、性能和体积的需求。 在ARM体系中增加的某些特定功能称为ARM体系的某种变种（variant）。,ARM体系的变种,（1）Thumb指令集（T变种） Thumb指令集是将ARM指令集的一个子集重新编码而形成的一个指令集。ARM指令长度为32位，Thumb指令长度为16位。 与ARM指令集相比，Thumb指令集具有一定的局限性，即完成相同的操作，Thumb指令通常需要更多的指令。因此，在对系统运行时间要求苛刻的应用场合，ARM指令集更为适合。 Thumb指令集没有包含进行异常处理时需要的一些指令，所以在异常中断的低级处理时，还是需要使用ARM指令。这种限制决定了Thumb指令需要和ARM指令配合使用。,ARM体系的变种,（2）长乘法指令（M变种） M变种增加了两条用于进行长乘法操作的ARM指令：其中一条指令用于实现32位整数乘以32位整数，生成64位整数的长乘法操作，另一条指令用于实现32位整数乘以32位整数，然后再加上32位整数，生成64位整数的长乘加操作。 在需要这种长乘法的应用场合，使用M变种比较合适。然而，在有些应用场合中，乘法操作的性能并不重要，在系统实现时就不适合增加M变种的功能。,ARM体系的变种,（3）增强型DSP指令（E变种） E变种包含了一些附加的指令，这些指令用于增强处理器对一些典型DSP算法的处理性能，主要包括：几条新的实现16位数据乘法和乘加操作的指令，实现饱和的带符号数的加减法操作的指令。 所谓饱和的带符号数的加减法操作是在加减法操作溢出时，结果并不进行卷绕（wrapping around），而是使用最大的正数或最小的负数来表示。进行双字数据操作的指令，包括双字读取指令LDRD、双字写入指令STRD和协处理器的寄存器传输指令MCRR/MRRC、Cache预取指令PLD。,ARM体系的变种,（4）Java加速器Jazelle（J变种） ARM的Jazelle技术将Java的优势和先进的32位RISC芯片完美地结合在一起。Jazelle技术提供了Java加速功能，可以得到比普通Java虚拟机高得多的性能。与普通的Java虚拟机相比，Jazelle使Java代码运行速度提高了3倍，而功耗降低了80%。 Jazelle技术使得程序员可以在一个单独的处理器上同时运行Java应用程序、已经建立好的操作系统、中间件以及其他应用程序。与使用协处理器和双处理器相比，使用单独的处理器可以在提供高性能的同时，保证低功耗和低成本。,ARM体系的变种,（5）ARM媒体功能扩展（SIMD变种） ARM媒体功能扩展为嵌入式应用系统提供了高性能的音频/视频处理技术。这就要求处理器能够提供很强的数字信号处理能力，同时还必须保持低功耗，以延长电池的使用时间。ARM的SIMD媒体功能扩展为这些应用需求提供了解决方案。 SIMD变种的主要特点是：可以同时进行两个16位操作数或者4个8位操作数的运算，提供了小数算术运算，用户可以定义饱和运算的模式，两套16位操作数的乘加/乘减运算，32位乘以32位的小数MAC，同时8位/16位选择操作。,3.1.1 ARM微处理器结构,4. ARM体系结构的命名规则 ARM产品通常以ARMxyzTDMIEJF-S形式出现。,ARM体系结构命名规则附加要点,ARM7TDMI之后的所有ARM内核，即使“ARM”标志后没有包含“TDMI”字符，也都默认包含了TDMI的功能特性； JTAG是由IEEE 1149.1标准测试访问端口和边界扫描结构来描述的，是ARM用来发送和接收处理器内核与测试仪器之间调试信息的一系列协议； 嵌入式ICE宏单元是建立在处理器内部用来设置断点和观察点的调试硬件； 可综合，意味着处理器内核是以源代码形式提供的。这种源代码形式可被编译成一种易于EDA工具使用的形式。,3.1.1 ARM微处理器结构,5. ARM微处理器系列 ARM微处理器目前包括下面几个系列，以及其它厂商基于ARM体系结构的处理器，除了具有ARM体系结构的共同特点以外，每一个系列的ARM微处理器都有各自的特点和应用领域。 ARM7系列 ARM9系列 ARM9E系列 ARM10E系列 ARM11系列 SecurCore系列 Inter的Xscale Inter的StrongARM,ARM微处理器系列,（1）ARM7微处理器系列 ARM7内核采用冯诺伊曼体系结构，数据和指令使用同一条总线。内核有一条3级流水线，执行ARMv4指令集。 ARM7系列微处理器主要用于对功耗和成本要求比较苛刻的消费类产品。其最高主频可达130MIPS。 ARM7系列微处理器的主要应用领域为：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。,ARM微处理器系列,ARM7微处理器系列具有如下特点： 具有嵌入式ICERT逻辑，调试开发方便； 极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用； 能够提供0.9MIPS/MHz的三级流水线结构； 代码密度高并兼容16位的Thumb指令集； 对操作系统的支持广泛，包括Windows CE、Linux、Palm OS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，高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂应用。,ARM微处理器系列,（2）ARM9微处理器系列 ARM9系列采用5级指令流水线，能够运行在比ARM7更高的时钟频率上，改善了处理器的整体性能。ARM9的存储器系统根据哈佛体系结构重新设计，区分了数据总线和指令总线。 ARM9系列的第一个处理器是ARM920T，包含独立的数据指令Cache和MMU。该处理器能够被用在要求有虚拟存储器支持的操作系统上。 ARM9系列微处理器主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。,ARM微处理器系列,（3）ARM9E微处理器系列 ARM9E系列微处理器是ARM9内核带有E变种的一个可综合版本，使用单一的处理器内核提供了微控制器、DSP、Java应用系统的解决方案，极大地减少了芯片的面积和系统的复杂程度。ARM9E系列微处理器提供了增强的DSP处理能力，很适合于那些需要同时使用DSP和微控制器的应用场合。 ARM9E系列微处理器包含ARM926EJ-S、ARM946E-S和ARM966E-S三种类型。,ARM微处理器系列,（4）ARM10E微处理器系列 ARM10E系列微处理器具有高性能、低功耗的特点，由于采用了新的体系结构，采用6级整数流水线，与同等的ARM9器件相比较，在同样的时钟频率下，性能提高了近50。同时，ARM10E系列微处理器采用了两种先进的节能方式，使其功耗极低，且提供了64位的Load/Store体系，支持包括向量操作的、满足IEEE 754的浮点运算协处理器，系统集成更加方便。,ARM微处理器系列,（5）ARM11微处理器系列 ARM1136J-S发布于2003年，是针对高性能和高能效应而设计的。ARM1136J-S是第一个执行ARMv6架构指令的处理器。它集成了一条具有独立的Load/Store和算术流水线的8级流水线。ARMv6指令包含了针对媒体处理的单指令流多数据流扩展，采用特殊的设计改善视频处理能力。,ARM微处理器系列,（6）SecurCore微处理器系列 SecurCore系列微处理器专为安全需要而设计，提供了完善的32位RISC技术的安全解决方案，SecurCore系列微处理器除了具有ARM体系结构的低功耗、高性能的特点外，还具有其独特的优势，即提供了对安全解决方案的支持。 SecurCore系列微处理器除了具有ARM体系结构各种主要特点外，还在系统安全方面具有如下的特点： 带有灵活的保护单元，以确保操作系统和应用数据的安全。 采用软内核技术，防止外部对其进行扫描探测。 可集成用户自己的安全特性和其他