ARM技术概述教学课件

第二章 ARM技术概述vARM概述vARM体系结构vThumb技术介绍2020/12/101一、ARM概述ARM是什么？是什么？vAdvanced RISC Machines一个公司的名字一个公司的名字英国知识产权核（英国知识产权核（IPIP）设计）设计公司公司一种技术的名字（一种技术的名字（ARMARM微处理器核）微处理器核）一类微处理器的通称一类微处理器的通称2020/12/102 ARM 微处理器的应用领域及特点微处理器的应用领域及特点 ARMARM处理器市场覆盖率最高、发展趋势广阔处理器市场覆盖率最高、发展趋势广阔基于基于ARMARM技术的技术的3232位微处理器，市场的占有率目前已达到位微处理器，市场的占有率目前已达到80%80%。绝大多数绝大多数ICIC制造商都推出了自己的制造商都推出了自己的ARMARM结构芯片。我国的结构芯片。我国的中兴集成电路、大唐电讯、中芯国际和上海华虹，以及中兴集成电路、大唐电讯、中芯国际和上海华虹，以及国外的一些公司如德州仪器、意法半导体、国外的一些公司如德州仪器、意法半导体、PhilipsPhilips、IntelIntel、SamsungSamsung等都推出了自己设计的基于等都推出了自己设计的基于ARMARM核的处理核的处理器器。2020/12/103v应用一应用一：工业控制领域：工业控制领域作为作为32 的的RISC 架构，基于架构，基于ARM 核的微处理器核的微处理器芯片不但占据了高端微处理器市场的大部分市场芯片不但占据了高端微处理器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展，份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展，ARM 微处理器的低功耗、高性价比，向传统的微处理器的低功耗、高性价比，向传统的8 位位/16 位微控制器提出了挑战。位微控制器提出了挑战。v应用二应用二：无线通讯领域：无线通讯领域目前已有超过目前已有超过85%的无线通讯设备采用了的无线通讯设备采用了ARM 技术，技术，ARM 以其高性能和低成本，在该领域的以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固地位日益巩固。2020/12/104v应用三应用三：网络设备：网络设备随着宽带技术的推广，采用随着宽带技术的推广，采用ARM 技术的技术的ADSL 芯片正逐步获得竞争优势。此外，芯片正逐步获得竞争优势。此外，ARM 在语音在语音及视频处理上进行了优化，并获得广泛支持，也及视频处理上进行了优化，并获得广泛支持，也对对DSP 的应用领域提出了挑战。的应用领域提出了挑战。v应用四应用四：消费类电子产品：消费类电子产品ARM 技术在目前流行的数字音频播放器、数字技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用。机顶盒和游戏机中得到广泛采用。v应用五应用五：成像和安全产品：成像和安全产品现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用ARM 技术。手机中的技术。手机中的32位位SIM 智能卡也采用了智能卡也采用了ARM 技术。技术。2020/12/105vARM处理器的使用量2020/12/106vARM处理器的特点处理器的特点:1、体积小、低功耗、低成本、高性能；、体积小、低功耗、低成本、高性能；2、支持、支持Thumb（16 位）位）/ARM（32 位）双指令位）双指令集；集；3、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；4、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；5、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；6、指令长度固定；、指令长度固定；2020/12/107几个重要概念：冯冯诺依曼体系结构模型诺依曼体系结构模型指令寄存器指令寄存器控制器控制器数据通道数据通道输入输入输出输出中央处理器中央处理器存储器存储器程序程序指令指令0指令指令1指令指令2指令指令3指令指令4数据数据数据数据0数据数据1数据数据2总线2020/12/108冯冯诺依曼体系的特点诺依曼体系的特点v1）数据与指令都存储在同一存储区中，取指）数据与指令都存储在同一存储区中，取指令与取数据利用同一数据总线。令与取数据利用同一数据总线。v2）被早期大多数计算机所采用）被早期大多数计算机所采用v3）ARM7冯诺依曼体系冯诺依曼体系结构简单结构简单,但速度较慢。取指不能同时取数据但速度较慢。取指不能同时取数据2020/12/109v哈佛体系结构模型哈佛体系结构模型指令寄存器指令寄存器控制器控制器数据通道数据通道输入输入输出输出中央处理器中央处理器程序存储器程序存储器指令指令0指令指令1指令指令2数据存储器数据存储器数据数据0数据数据1数据数据2总线总线2020/12/1010v哈佛体系结构的特点哈佛体系结构的特点1）程序存储器与数据存储器分开）程序存储器与数据存储器分开.2）提供了较大的存储器带宽，各自有自己的）提供了较大的存储器带宽，各自有自己的总线。总线。3）适合于数字信号处理）适合于数字信号处理.4）大多数）大多数DSP都是哈佛结构都是哈佛结构.5）ARM9是哈佛结构是哈佛结构6）取指和取数在同一周期进行，提高速度）取指和取数在同一周期进行，提高速度.改进哈佛体系结构分成三个存储区：程序、数据、改进哈佛体系结构分成三个存储区：程序、数据、程序和数据共用。程序和数据共用。2020/12/1011CISC：复杂指令集（复杂指令集（Complex Instruction Set Computer）v具有大量的指令和寻址方式具有大量的指令和寻址方式v8/2原则：原则：80%的程序只使用的程序只使用20%的指令的指令v大多数程序只使用少量的指令就能够运行。大多数程序只使用少量的指令就能够运行。vCISC CPU 包含有丰富的单元电路，因而功包含有丰富的单元电路，因而功能强、面积大、功耗大。能强、面积大、功耗大。2020/12/1012RISC：精简指令集（精简指令集（Reduced Instruction Set Computer)v只包含最有用的指令，提供简单的操作。只包含最有用的指令，提供简单的操作。v确保数据通道快速执行每一条指令确保数据通道快速执行每一条指令vLoad-store结构结构 处理器只处理寄存器中的数据，处理器只处理寄存器中的数据，load-store指令用来完成数据在寄存器和外部存储指令用来完成数据在寄存器和外部存储器之间的传送。器之间的传送。v使使CPU硬件结构设计变得更为简单，硬件结构设计变得更为简单，RISC CPU包包含较少的单元电路，因而面积小、功耗低含较少的单元电路，因而面积小、功耗低 2020/12/1013主要差别：主要差别：v寄存器寄存器RISC指令集指令集 拥有更多的通用寄存器，每个可以存放数据拥有更多的通用寄存器，每个可以存放数据和地址，寄存器为所有的数据操作提供快速的存储访问。和地址，寄存器为所有的数据操作提供快速的存储访问。CISC指令集指令集 多用于特定目的的专用寄存器。多用于特定目的的专用寄存器。vLOAD STORE 结构结构RISC结构结构 CPU 仅处理寄存器中的数据，采用独立的、仅处理寄存器中的数据，采用独立的、专用的专用的LOAD STORE 指令来完成数据在寄存器和外存指令来完成数据在寄存器和外存之间的传送。（访存费时，处理和存储分开，可以反复之间的传送。（访存费时，处理和存储分开，可以反复的使用保存在寄存器中的数据，而避免多次访问外存）。的使用保存在寄存器中的数据，而避免多次访问外存）。CISC结构结构 能直接处理存储器中的数据。能直接处理存储器中的数据。2020/12/1014二、ARM体系结构ARM系列产品表示ARM 926EJ-SARM 926EJ-S系列系列 7:ARM7 9:ARM910:ARM1011:ARM11存储管理存储管理/保护单元保护单元 2:Cache,MMU（存储器管理单元）4:Cache,MPU（存储器保护单元）6:Write buffer,no cacheCache 0:Cache size(4-128KB)2:Reduced cache size 6:TCM（紧耦合存储器）可综合版本可综合版本Extensions E:DSP extension J:Jazelle extension T:Thumb support2020/12/1015标志含义说明T支持Thumb指令集Thumb指令集版本1：ARMv4TThumb指令集版本2：ARMv5TD片上调试（JTAG调试器）用来发送和接收处理器内核和测试仪器之间调试信息的一系列协议，使处理器能够停止，以响应调试请求M支持长乘法32位乘32位得到64位，32位的乘加得到64位I嵌入式ICE宏单元 用来设置断点和观察点的宏单元EDSP指令增加了DSP算法处理器指令：16位乘加指令，饱和的带符号数的加减法，双字数据操作，cache预取指令JJava加速器Jazelle提高java代码的运行速度S可综合提供VHDL或Verilog语言设计文件2020/12/1016 ARM处理器的分类v基于指令集体系结构的分类版本v1，v2，v5，v5TEJ，v6等v基于处理器内核硬件特性的分类系列ARM7，ARM9，ARM10，ARM11，StrongARM，XScale等2020/12/1017vARM体系结构版本v ARM架构自诞生至今,已经发生了很大的演变,至今已定义的版本有：v V1版架构v V2版架构v V3版架构v V4版架构v V5版架构v V6版架构2020/12/1018vV1版架构v 该版架构只在原型机ARM1出现过,其基本性能：基本的数据处理指令（无乘法）字节、半字和字的LOAD/STORE指令转移指令，包括子程序调用及链接指令软件中断指令寻址空间：64M字节（26）2020/12/1019vV2版架构v 该版架构对V1版进行了扩展,如ARM2架构,增加了以下功能：乘法和乘加指令支持协处理器操作指令快速中断模式SWP/SWPB基本存储器与寄存器交换指令寻址空间：64M字节2020/12/1020vV3版架构把寻址空间增至32位(4G字节),增加了当前程序状态寄存器CPSR和程序状态保存寄存器SPSR以便于异常的处理。增加了中止和未定义二种处理器模式。ARM6就采用该版架构。指令集变化如下：增加了MRS/MSR指令,以访问新增的CPSR/SPSR寄存器增加了从异常处理返回的指令功能。2020/12/1021vV4版架构v V4版架构是目前应用最广的ARM体系结构,对V3版架构进行了进一步扩充,有的还引进了16位的Thumb指令集,使ARM使用更加灵活。ARM7、ARM8、ARM9和StrongARM都采用该版架构。指令集中增加了以下功能：有符号、无符号的半字和有符号字节的Load/Store指令。增加了16位Thumb指令集完善了软件中断SWI指令的功能增加了处理器的特权模式。2020/12/1022vV5版架构v 这是最近几年推出ARM架构,在V4版基本上增加了一些新的指令,ARM10和XScale都采用该版架构,这些新增指令有：带有链接和交换的转移BLX指令计数前导零CLZ指令BKPT软件断点指令增加了信号处理指令为协处理器增加更多可选择的指令2020/12/1023vv6版架构2001年发布的适合使用电池供电的便携式设备 增加了 SIMD功能扩展，提高了嵌入式应用系统的音频、视频处理能力。首先在2002年发布的ARM11处理器中使用2020/12/1024ARM处理器内核系列：vARM公司开发了很多系列的ARM处理器内核，目前最新的系列已经是ARM11了，而ARM6核以及更早的系列已经很罕见了。目前应用比较广泛的系列是：ARM7ARM9ARM10SecurCoreXscale2020/12/1025vARM7该系列包含ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、带有高速缓存处理器宏单元的ARM720T等。该系列处理器提供16位Thumb压缩指令集和EmbeddedICE软件调试方式，适用于大规模的SoC设计中。ARM7系列广泛应用于多媒体等嵌入式设备中，包括Internet设备、网络和调制解调器设备，以及移动电话、PDA等无线设备。2020/12/1026vARM9该系列包括ARM9TDMI、ARM920T和带有高速缓存处理器宏单元的ARM940T。除了兼容ARM7系列，而且能够更加灵活的设计。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。存储器系统根据哈佛体系结构重新设计，区分了数据D和指令I总线。ARM9系列主要应用于引擎管理、仪器仪表、安全系统和机顶盒等领域。2020/12/1027vARM10该系列包括ARM1020E处理器核，其核心在于使用向量浮点（VFP）单元VFP10提供高性能的浮点解决方案，从而极大提高了处理器的整型和浮点运算性能。ARM10把ARM9的流水线扩展到了6级。可以用于视频游戏机和高性能打印机等场合。2020/12/1028vSecurCore该系列涵盖了SC100、SC110、SC200和SC210处理核。该系列处理器主要针对新兴的安全市场，以一种全新的安全处理器设计为智能卡和其它安全IC开发提供独特的32位系统设计，并具有特定反伪造方法，从而有助于防止对硬件和软件的盗版。2020/12/1029vXscaleIntel Xscale微控制器则提供全性能、高性价比、低功耗的解决方案，它是哈佛结构，包含一个MMU，具有独立的D+Icache。2020/12/1030ARM7TDMI ARM7TDMI基于ARM体系结构V4版本，是目前低端的ARM核。具有广泛的应用，其最显著的应用为数字移动电话。ARM7TDMI支持32位寻址范围，并弥补了ARM6不能在低于5V电源电压下工作的不足。ARM7TDMI的后缀意义为：支持高密度16位的Thumb指令集；支持片上调试；支持64位乘法；支持EmbededICE观察硬件；ARM7 T D M I2020/12/1031三、Thumb技术介绍v ARM的RISC体系结构的发展中已经提供了低功耗、小体积、高性能的方案。而为了解决代码长度的问题，ARM体系结构又增加了变种，开发了一种新的指令体系，这就是Thumb指令集，它是ARM技术的一大特色。v Thumb指令集中的指令是从标准32位ARM指令集中抽出36条指令格式，重新编成16位的操作码。这能带来很高的代码密度。2020/12/1032PPT教学课件谢 谢 观 看ThankYouForWatching33