ARM处理器构架处理器构架1-2课程安排课程安排ARM体系结构概述体系结构概述 ARM处理器系列处理器系列 ARM处理器结构处理器结构 ARM编程模型编程模型 ARM开发调试工具综述开发调试工具综述 1-3ARM体系结构概述体系结构概述ARM，英文全称为，英文全称为Advanced RISC Machines。 ARM首先是一个公司的名称首先是一个公司的名称 。其次，其次，ARM是对一类微处理器的通称。是对一类微处理器的通称。 宽泛地说，宽泛地说，ARM是一种技术的名字，即采用是一种技术的名字，即采用ARM处理器的控制技术。处理器的控制技术。 1-4CISC的体系结构的体系结构 CISC，英文全称为，英文全称为Complex Instruction Set Computer，即复杂指令集计算机。，即复杂指令集计算机。 在在CISC指令集中，各种指令使用频率相差悬殊指令集中，各种指令使用频率相差悬殊 。显然，显然，CISC结构虽然指令全面功能强大，但是结构结构虽然指令全面功能强大，但是结构不合理，造成程序代码体积庞大，不适合于嵌入式不合理，造成程序代码体积庞大，不适合于嵌入式系统。系统。 1-5RISC的体系结构的体系结构 RISC的英文全称为的英文全称为Reduced Instruction Set Computer，即精，即精简指令集计算机。简指令集计算机。 RISC体系结构应具有如下特点：体系结构应具有如下特点： 采用固定长度的指令格式；采用固定长度的指令格式；使用单周期指令，便于流水线操作执行；使用单周期指令，便于流水线操作执行；大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作，只有加载大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作，只有加载/ 存储指令可以访问存储器，以提高指令的执行效率。存储指令可以访问存储器，以提高指令的执行效率。采用一些特别的技术降低功耗。采用一些特别的技术降低功耗。所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行；所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行；可用加载可用加载/存储指令批量传输数据，以提高数据的传输效率；存储指令批量传输数据，以提高数据的传输效率；可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理；可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理；在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率。在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率。 1-6ARM微处理器的应用领域微处理器的应用领域 工业控制领域工业控制领域无线通讯领域无线通讯领域网络应用网络应用智能手机智能手机消费类电子产品消费类电子产品成像和安全产品成像和安全产品1-7ARM体系结构的特点体系结构的特点 体积小、低功耗、低成本、高性能。体积小、低功耗、低成本、高性能。支持支持 Thumb(16 位位)/ARM(32 位位)双指令集，能很好的兼容双指令集，能很好的兼容8/16 位器件。位器件。大量使用寄存器，指令执行速度更快。大量使用寄存器，指令执行速度更快。ARM处理器共有处理器共有37个寄存器，分为若干个组（个寄存器，分为若干个组（BANK）。）。大多数数据操作都在寄存器中完成。大多数数据操作都在寄存器中完成。ARM处理器有处理器有7种不同的处理器模式种不同的处理器模式寻址方式灵活简单，执行效率高。寻址方式灵活简单，执行效率高。指令长度固定。指令长度固定。 1-8ARM处理器系列处理器系列 ARM 微处理器目前种类非常丰富。微处理器目前种类非常丰富。 不同的不同的ARM系列具有不同的用途，每一个系列的系列具有不同的用途，每一个系列的ARM 微处理器都有各自的特点和应用领域。微处理器都有各自的特点和应用领域。下面分别进行介绍。下面分别进行介绍。 1-9ARM7微处理器微处理器 ARM7内核为低功耗的内核为低功耗的32位位RISC处理器，其采用冯处理器，其采用冯 诺依曼体诺依曼体系结构。系结构。 ARM7微处理器系列具有如下特点：微处理器系列具有如下特点： 具有嵌入式具有嵌入式ICERT逻辑，无论调试还是开发都很方便。逻辑，无论调试还是开发都很方便。极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式产品。极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式产品。能够提供能够提供0.9MIPS/MHz的三级流水线结构。的三级流水线结构。代码密度高并兼容代码密度高并兼容16位的位的Thumb指令集。指令集。支持支持Windows CE、Linux、Palm OS等嵌入式操作系统。等嵌入式操作系统。指令系统与指令系统与ARM9系列、系列、ARM9E系列和系列和ARM10E系列兼容，便系列兼容，便于用户程序的升级和产品的更新换代。于用户程序的升级和产品的更新换代。主频最高可达主频最高可达130MIPS。 1-10ARM7微处理器微处理器 ARM7系列内核包括多个分支：系列内核包括多个分支：ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ 。 ARM7TMDI是目前使用最广泛的是目前使用最广泛的32位嵌入式位嵌入式RISC处处理器内核，属低端理器内核，属低端ARM处理器核。处理器核。 其中，其中，TDMI的基本含义为：的基本含义为： T：支持：支持16为压缩指令集为压缩指令集Thumb。D：支持片上：支持片上Debug。M：内嵌硬件乘法器（：内嵌硬件乘法器（Multiplier）。）。I：嵌入式：嵌入式ICE，支持片上断点和调试点。，支持片上断点和调试点。 1-11ARM9微处理器微处理器 ARM9内核为内核为32位位RISC处理器，采用哈佛结构处理器，采用哈佛结构 。 ARM9内核微处理器具有以下特点：内核微处理器具有以下特点： 5级整数流水线，指令执行效率更高。级整数流水线，指令执行效率更高。采用哈佛结构。采用哈佛结构。提供提供1.1MIPS/MHz的运行速率。的运行速率。支持支持32位位ARM指令集和指令集和16位位Thumb指令集。指令集。支持支持32位的高速位的高速AMBA总线接口。总线接口。内含全性能的内含全性能的MMU。内含内含MPU，支持实时操作系统。，支持实时操作系统。支持数据支持数据Cache和指令和指令Cache。 1-12ARM9E微处理器微处理器 ARM9E 系列微处理器为可综合处理器系列微处理器为可综合处理器 。ARM9E 系列微处理器的主要特点如下：系列微处理器的主要特点如下： 支持支持 DSP 指令集，适合需要高速数字信号处理的场合。指令集，适合需要高速数字信号处理的场合。5 级整数流水线，指令执行效率更高。级整数流水线，指令执行效率更高。支持支持32 位位ARM 指令集和指令集和16 位位Thumb 指令集。指令集。支持支持32 位的高速位的高速AMBA 总线接口。总线接口。支持支持VFP9 浮点处理协处理器。浮点处理协处理器。内含全性能内含全性能 MMU。内含内含MPU，支持实时操作系统。，支持实时操作系统。支持数据支持数据 Cache 和指令和指令Cache。主频最高可达主频最高可达300MIPS。 1-13ARM10E微处理器微处理器 ARM10E内核为内核为32位位RISC处理器，采用了新的体系结构。处理器，采用了新的体系结构。ARM10E系列微处理器的主要特点如下：系列微处理器的主要特点如下： 支持支持DSP指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合。指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合。6级整数流水线，指令执行效率更高。级整数流水线，指令执行效率更高。支持支持32位位ARM指令集和指令集和16位位Thumb指令集。指令集。支持支持32位的高速位的高速AMBA总线接口。总线接口。支持支持VFP10浮点处理协处理器。浮点处理协处理器。采用了两种先进的节能方式，使其功耗极低。采用了两种先进的节能方式，使其功耗极低。全性能的全性能的MMU。支持数据支持数据Cache和指令和指令Cache。主频最高可达主频最高可达400MIPS。内嵌并行读内嵌并行读/写操作部件。写操作部件。 1-14ARM11微处理器微处理器 ARM1136J-S是第一个执行是第一个执行ARMv6架构指令的处理架构指令的处理器器 。 ARM1136J-S的主要特点如下：的主要特点如下： 集成了一条具有独立的集成了一条具有独立的load-sotore和算术流水线的和算术流水线的8级流级流水线。水线。ARMv6指令包含了针对媒体处理的单指令流多数据流指令包含了针对媒体处理的单指令流多数据流（SIMD）扩展。）扩展。采用特殊的设计，以改善视频处理性能。采用特殊的设计，以改善视频处理性能。为了进行快速浮点运算，增加了向量浮点单元。为了进行快速浮点运算，增加了向量浮点单元。 1-15SecurCore微处理器微处理器 SecurCore 系列微处理器专为安全需要而设计系列微处理器专为安全需要而设计 。 SecurCore 系列微处理器在系统安全方面具有如下系列微处理器在系统安全方面具有如下的特点：的特点： 带有灵活的保护单元，确保操作系统和应用数据的安全。带有灵活的保护单元，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。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协处理器。可集成用户自己的安全特性和其他协处理器。 1-16StrongARM微处理器微处理器 Intel StrongARM SA-1100 以及以及Intel StrongARM SA-1110 处理器是采用处理器是采用ARM 体系结构。体系结构。融合了融合了Intel 公司的设计和处理技术以及公司的设计和处理技术以及ARM 体系结体系结构的电源效率，采用在软件上兼容构的电源效率，采用在软件上兼容ARMv4体系结构、体系结构、同时采用具有同时采用具有Intel 技术优点的体系结构。技术优点的体系结构。Intel StrongARM处理器是便携式通讯产品和消费类处理器是便携式通讯产品和消费类电子产品的理想选择。电子产品的理想选择。 1-17Xscale微处理器微处理器 Xscale是基于是基于ARMv5TE 体系结构的解决方案体系结构的解决方案 。一款全性能、高性价比、低功耗的一款全性能、高性价比、低功耗的32 位处理器。位处理器。它支持它支持16 位的位的Thumb指令和指令和DSP 指令集。指令集。 Xscale处理器是处理器是Intel 目前主要推广的一款目前主要推广的一款ARM微处微处理器。理器。 1-18Cortex-M3微处理器微处理器 Cortex-M3微处理器采用微处理器采用ARMv7-M 架构架构 。Cortex-M3系列微处理器的主要特点如下：系列微处理器的主要特点如下：Thumb-2 指令集架构（指令集架构（ISA）的子集。）的子集。哈佛处理器架构，在加载哈佛处理器架构，在加载/存储数据的同时能够执行指令取指。存储数据的同时能够执行指令取指。三级流水线。三级流水线。32 位单周期乘法。位单周期乘法。具备硬件除法。具备硬件除法。Thumb 状态和调试状态。状态和调试状态。处理模式和线程模式。处理模式和线程模式。ISR 的低延迟进入和退出。的低延迟进入和退出。可中断可中断-可继续的可继续的LDM/STM，PUSH/POP。ARMv6类型类型BE8/LE支持。支持。ARMv6 非对齐访问。非对齐访问。 1-19基于基于ARM核的芯片选择核的芯片选择 内核的选择内核的选择 根据嵌入式系统选择根据嵌入式系统选择 工作频率的选择工作频率的选择 片内存储器的选择片内存储器的选择 片内资源的选择片内资源的选择 1-20ARM处理器结构处理器结构 ARM Cortex-M3内核主系统由四个驱动单元：内核主系统由四个驱动单元：内核内核ICode总线总线(I-bus)DCode总线总线(D-bus)系统总线系统总线(S-bus)GP-DMA(通用通用DMA) Cortex-M3还包括了如下三个被动单元：还包括了如下三个被动单元：内部内部SRAM。内部闪存存储器。内部闪存存储器。AHB到到APB的桥的桥(AHB2APBx) 1-21ARM流水线结构流水线结构 ARM Cortex-M3采用适合于微控制器应用的三级流采用适合于微控制器应用的三级流水线。水线。理解指令预取和流水线技术。理解指令预取和流水线技术。增加了分支预测功能。增加了分支预测功能。 1-22ARM存储器结构存储器结构 1-23ARM编程模型编程模型 工作模式和工作状态工作模式和工作状态 特权访问和用户访问特权访问和用户访问 数据类型数据类型 存储器格式存储器格式 1-24工作模式和工作状态工作模式和工作状态 Cortex-M3处理器支持两种工作模式处理器支持两种工作模式:线程模式线程模式处理模式处理模式 Cortex-M3处理器有两种工作状态：处理器有两种工作状态： Thumb状态状态调试状态调试状态1-25特权访问和用户访问特权访问和用户访问 Cortex-M3处理器代码可以是特权执行或非特权执行。处理器代码可以是特权执行或非特权执行。 线程模式在复位之后为特权访问线程模式在复位之后为特权访问 。这里需要注意的是，处理模式始终是特权访问的。这里需要注意的是，处理模式始终是特权访问的。 1-26数据类型数据类型 Cortex-M3处理器支持以下数据类型：处理器支持以下数据类型：32 位字位字16 位半字位半字8 位字节位字节 1-27存储器格式存储器格式 Cortex-M3 处理器将存储器看作从处理器将存储器看作从0 开始向上编号的开始向上编号的字节的线性集合。字节的线性集合。 小端格式小端格式 大端格式大端格式 1-28ARM开发调试工具综述开发调试工具综述 ARM的开发调试工具主要包括两方面：的开发调试工具主要包括两方面： 硬件硬件软件软件