2arm体系结构

,第二部分ARM9处理器硬件平台主要内容: ARM处理器概述 ARM9处理器S3C2410A硬件介绍ARM处理器概述 ARM简介 ARM指令集体系结构版本与处理器系列ARM处理器结构ARM简介ARM （Advanced RISC Machines）,既 可以认为 是一个公司的名字，也可以认为 是对一类微处理器的通称，还可以认为是 一种技术的名字。ARM公司（1991年ARM公司成立于英国剑 桥）本身不生产芯片，转让设计许可，由合 作公司生产各具特色的芯片。目前，采用ARM技术知识产权（IP）核的微处理器，即我们通常所说的ARM微处理器已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于ARM技术的微处 理器应用约占据了 32位RISC微处理器75%以上的 市场份额，ARM技术正在逐步渗入到我们生活的 各个方面。4世界各大半导体生产商从ARM公司购买其设计的ARM微处理器核，根据各自不同的应用领域，加 入适当的外围电路，从而形成自己的ARM微处理器 芯片进入市场。目前，全世界有几十家大的半导体公司都使用ARM公司的授权，因此既使得ARM技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整个系统成本降低，使产品更容易进入市场被消费者所接 受，更具有竞争力。ARM处理器的特点及应用领域ARM处理器的特点小体积、低功耗、成本低.高性能; 16位/32位双指令集；全球众多的合作伙伴。6作为32位的RISC架构，基于ARM核的微控制器芯片不但占据 了高端微控制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，ARM微控制器的低功耗、高性价比，向传 统的8位/16位微控制器提出了挑战。无线通讯领域：目前己有超过85%的无线通讯设备采用了 ARM技术，ARM以 其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。网络应用：随着宽带技术的推广，采用ARM技术的ADSL芯片正逐 步获得竞争优势。此外，ARM在语音及视频处理上行了优 化，并获得广泛支持，也对DSP的应用领域提出了挑战。消费类电子产品:ARM技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛釆用。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釆用ARM技 术。手机中的32位SIM智能卡也采用了ARM技术。8ARM指令集体系结构版本(1) VI版架构该版架构只在原型机ARMJ出现过，没有用于商业产品。 其基本性能有：基本的数据处理指令(无乘法);基于字节、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；供操作系统使用的软件中断指令SWI；寻址空间：64MB (226)； 软件 26 bit地址总线。10(2) V2版架构该版架构对VI版进行了扩展，例如ARM2和ARM3 (V2a)架构，版本2a是版本2的变种，ARM3芯片釆用 了版本2日。V2版架构与版本V丄相比，增加了以下功能： 乘法和乘加指令(Multiply & Multiply-accumulate)；支持协处理器操作指令；支持线程同步快速中断模式；寻址空间：64MB;26 bit地址总线。SWP/SWPB的最基本存储器与寄存器交换指令;(3) V3版架构V3版架构对ARM体系结构作了较大的改动：寻址空间增至32位(4GB)；当前程序状态信息从原来的R15寄存器移到当前程序 状态 寄存器 CPSR 中(Current Program Status Register);增加了程序状态保存寄存器SPSR (Saved Program Status Register)；增加了中止(Abort)和未定义2种处理器模式；增加了MRS/MSR指令，以访问新增的CPSR/SPSR 寄存器；r增加了从异常处理返回的指令功能。(4) V4版架构V4版架构在V3版上作了进一步扩充，V4版架构是目 前应用最广的ARM体系结构，ARM7、ARM8、 ARM9和StrongARM都采用该架构。指令集中增加了 以下功能：符号化和非符号化半字及符号化字节的存/取指令；增加了丄6位Thumb指令集；完善了软件中断SWI指令的功能；处理器系统模式引进特权方式时使用用户寄存器操作; 把一些未使用的指令空间捕获为未定义指令。12(5) V5版架构版架构是在V4版基础上增加了一些新的指令，ARM 10和Xscale都采用该版架构。这些新增命令有: 带有链接和交换的转移BLX指令；计数前导零CLZ指令； BRK中断指令；增加了数字信号处理指令(V5TE版)；14为协处理器增加更多可选择的指令。13(6) V6版架构V6版架构是2001年发布的，首先在2002年春季发 布的ARM11处理器中使用。此架构在V5版基础上增 加了以下功能： THUMB： 35%代码压缩； DSP扩充：高性能定点DSP功能； Jazelle： Jova性能优化，可提高8倍； Media扩充:音/视频性能优化，可提高4倍。ARM处理器系列 ARM7系列一低功耗，低价位 ARM9系列一低功耗，高性价比 ARM9E系列一综合了DSP能力 ARM10E系列一低功耗，高性能 SecurCore系列一提供了安全解决方案 Intel的XScale和StrongARM融合了Intel的技术ARM11系列一增强的多媒体处理能力15ARM处理器结构处理器的工作状态 RISC技术流水线技术超标量执行数据存储 ARM指令与Thumb指令16ARM状态和Thumb状态 V4版以后有： 32位ARM指令集 16位Thumb指令集，功能是ARM指令集的 功能子集。 ARM7TDMI核以后，T变种的ARM微处理器 有两种工作状态： ARM状态 Thumb 状态。ARM与Thumb状态转换在程序的执行过程中，微处理器可以随时在 两种工作状态之间切换，并且该转变不影响处理 器的工作模式和相应寄存器中的内容。进入Thumb状态：当操作数寄存器的状态位（位0）为 1时，执行BX指令。 进入ARM状态：当操作数寄存器的状态位（位0）为0 时，执行BX指令。19RISC技术IRISC体系结构基本特点:大多数指令只需要执行简单和基本的功能，其执行过程在 一个机器周期内完成。只保留加载/存储指令。操作数由加载/存储指令从存储器 取出放寄存器内操作。芯片逻辑不采用或少釆用微码技术，而釆用硬布线逻辑。减少指令数和寻址方式。指令格式固定，指令译码简化。优化编译。19RISC技术IIARM体系结构还釆用了 一些特别的技术:所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行，提 高了指令的执行效率。可用Load/Store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。20流水线技术计算机中的1条指令的执行分若干个阶段：(1) 取指，从存储器中取出指令(fetch)；(2) 译码，指令译码(dec)：(3) 取操作数，从寄存器组中取(reg)；(4) 执行运算(ALU)；(5) 存储器访问，操作数与存储器有关(mem)；(6)结果写回寄存器(res) 023fetchdecregALUmemres23指令fetchdecregALUmemresfetchdecregALUmemres-时间但上述的过程是一种理想的过程，各个阶段的操作时间有长短。相邻指令执行的数据相关性会产生指令执行的停顿(stall),严重的会产生数据灾难(hazards)。下图，第2条指令的reg操作需要第1条指令执行的结果 (res),因此，第2条指令在执行时，不得不产生停顿。碰到分支类指令，后面紧接该条指令的几条指令的执行都 会无效。指令-时间24ARM7的3级流水线取指译码执行-时间1取指 | 译码执行取指译码执行指令25ARM9的5级流水线ARM9和StrongARM架构都釆用了 5级流 水线.增加了I-Cache和D-Cache,把存储器的取指与数据存 取分开（解决数据相关及指令、数据同一通道问题）； 增加了数据写回的专门通路和寄存器；把指令的执行过程分割为5部分：取指- 指令译码-执行- 数据缓存-写回26超标量执行通过重复设置多套指令执行部件，同时处理并完成多条 指令，实现并行操作，来达到提高处理速度的目的。所有 ARM内核，包括流行的ARM7、ARM9和ARM11等，都是单周期 指令机。ARM公司下一代处理器将是每周期能处理多重指令 的超标量机。但是：超标量处理器在执行的过程中必须动态地检查指令相关性 如果代码中有分支指令；我们必须将分支被执行命分支不被执行这两种情况分开考 虑计算执行时间几乎是不可能的；计算执行时间几乎是不可能的；超标量CPU采用多条流水线结构形式27ARM存储数据类型 七RM处理器支持以下六种数据类型: 8位有符号和无符号字节。 16位有符号和无符号半字，以2字节的边界对齐。 32位有符号和无符号字，以4字节的边界对齐ARM釆用的是32位架构ARM约定：Byte :Halfword :Word8 bit16 bits (2 byte)32 bits (4 byte)28ARM处理器寻址方式寻址方式:是根据指令中给出的地址码字段来实现寻找真实操作数地址的方式，ARM处理器有9种基本 寻址方式。29 寄存器寻址一操作数的值在寄存器中，指令执行时直 接取出寄存器值操作。 立即寻址一指令中在操作码字段后面的地址码部分不 是通常意义上的操作数地址，而是操作数本身。 寄存器移位寻址一这种寻址方式是ARM指令集特有的。 第2个寄存器操作数在与第1个操作数结合之前，选择 进行移位操作。 寄存器间接寻址一指令中的地址码给出某一通用寄存 器的编号。在被指定的寄存器中存放操作数的有效地 址，而操作数则存放在存储单元中，即寄存器为地址 指针。30变址寻址一将基址寄存器的内容与指令中给出的位移量相 加，形成操作数有效地址。多寄存器寻址一一次可以传送几个寄存器的值。允许一条 指令传送16个寄存器的任何子集。堆栈寻址一堆栈是特定顺序进行存取的存储区，操作顺序 分为“后进先出”和“先进后出”，堆栈寻址是隐含的， 它使用一个专门的寄存器（堆栈指针）指向一块存储区域（堆栈），指针所指向的存储单元就是堆栈的栈顶。块拷贝寻址一多寄存器传送指令用于一块数据从存储器的 某一位置拷贝到另一位置。相对寻址一相对寻址是变址寻址的一种变通，由程序计数 器PC提供基地址。指令中的地址码字段作为位移量。ARM指令的编码格式3128 27 25 2421 20 1916 1512 11870cond 001 opcode s RnRdShifter opera nd说明： Cond指令执行的条件编码 Opcode指令操作符编码 S决定指令的操作是否影响CPSR的值 Rd操作目标寄存器编码 Rn包含第一操作数的寄存器编码 Shifter_operand-表示第二操作数Cond0 01OpcodesRnRdCpernd 2Cond000000A$RdRnRs10 0 1RmCond0 0 0 1 0B00RnRd0 0 0 01 0 0 1RmCond0 11PuJ,LRnRdoffsetCond0 1 1xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx1XXXXCond1 0 0puSJ,LRnRegister UstCond1 0 1LoffsetCond1 1 0puNLRnCRdCPonsetCond1110CPOpcCRnCRdCP#CP0CRmCond1110CPOpcLCRnRdCP9CP1CRmCond1111ignored by processor8 ?312S 2; 26 25 24 2： 22 21 20 1916 15MultiplySingle Data SwapSingle Data TransferUndefinedBlock Data TransferBranchCoproc Data TransferCoproc Data OperationCo proc Register TransferSoftware Interrupt0Data Processing PSR Transfer33Thumb指令集Thumb指令可以看作是ARM指令压缩形式的子集,是针对代码密度的问题而提出的,它具有16位的代码 密度。Thumb不是一个完整的体系结构,不能指望处理 只执行Thumb指令而不支持ARM指令集。因此,Thumb 指令只需要支持通用功能，必要时可以借助于完善的 ARM指令集。34IThumb指令集与ARM指令集的区别 Thumb指令集没有：协处理器指令;信号量指令;访问CPSR或SPSR 的指令；乘加指令及64位乘法指令等 Thumb指令的第二操作数受到限制；除了跳转指令B有条件执行功能外，其它指令 均为无条件执行；37大多数Thumb数据处理指令采用2地址格式35ARM9处理器S 3C2410 A硬件介纟英文参考S3C2410A USERs MANUAL 处理器综述 处理器工作模式 存储器控制器 NAND FLASH控制器 时钟与电源管理 中断控制器 I/O端口 UART LCD控制器 ADC与触摸屏 芯片的电气与机械特性