《嵌入式系统》课程教学课件（讲稿）ARM体系结构（Advanced RISC Machines）

ARM体系结构(Advanced RiSC Machines)

ARM体系结构 （Advanced RISC Machines）

内容提要·ARM体系结构概览一ARM历史一ARM体系结构特征Applicationprograms一ARM片上总线AMBA一ARM对调试的支持一虚存管理Operatingsystem·ARM编程模型一ARM微处理器的工作状态一ARM体系结构的存储器模式Hardware一ARM微处理器的操作模式一ARM体系结构的寄存器组织一ARM微处理器的异常状态·CortexM处理器2/111Ilxx@ustc.edu.cn

内容提要 • ARM体系结构概览 – ARM历史 – ARM体系结构特征 – ARM片上总线AMBA – ARM对调试的支持 – 虚存管理 llxx@ustc.edu.cn 2/111 • ARM编程模型 – ARM微处理器的工作状态 – ARM体系结构的存储器模式 – ARM微处理器的操作模式 – ARM体系结构的寄存器组织 – ARM微处理器的异常状态 • Cortex M处理器

ARM Partnership ModelATAP PartnersBARCOSOTATools PartnersLASHLINGWIN-FINITYOEPICoWareSILEXInfiniteTechnologyNSWDNPSIEMENSvirtoiNNOVEDA,ComputexGren HillCorporationMacroTecCOMITYOGITECHADSCThinkTektronixYOKOGAWAWindRrver SophiaSTEPMINDSYSTEMSsystemsARCADIAAxisSESIDSAysiemIALerisityTOPPANAptixQUALCOAAZTEICGOODRICHSEODUINCHIFWIPROAgilent TechsologiesERICSSON三MICLEAliantFUITSUHOYAINEKOREAAMOTOROLAADMtekCOGLOKINECMAZALCATELintersilNEOMASIC TOSHIBATARSENSAMISynopSysFARADAYscIworx副电子PHILIPSMICRONASTIKOS节UMCGMnApilentTechEPSONCharteredTALITY80mDarthusSANYOOHEDOIOSCadenceLAUTERBACHFLE>TRONICSARMSynopSysSernicondictoZGATOAKMAEXASnParenershlOFIRMWARESYSTEMSrealo8interniche2PanasonicMicrosoftystamaaderetechnologies,incZEEVO intelnaONXOJOLSHARP-OYUNDAIFRONTEREMBLAZE CeHUTVirataSONYLINEOMYAMAHAARGEA)Triscend.MINTERTRUSTPRECISEpackfdeoCoogencyPRARECONMACCESSYIofineanOCZARUNKUS Sofware三ERICSSONArrayCommAGEOWORKSNTaoSystomszi corporationRESONEXTSiliconWaveliguidaudioEKADAKWUOSEBluetoothJAVAsymbianMicrosoftAXEsymbianG5FEonrmVoRksGACPSSymmetricomSunETNOTEAMJAVAWindiRiverMICROWAREDolbyediedCMXLYNUXWORKSASAHI CHEMICALINDUSIRYCO.LTDPRobnctRTos PartnersSoftware Partners

ARM Partnership Model

ARM Powered ProductsEBC4/111llxx@ustc.edu.cn

ARM Powered Products llxx@ustc.edu.cn 4/111

Development of the ARM ArchitectureImprovedJazelleHalfwordARM/Thumband signedInterworkingJavabytecodehalfword/executionCLZbyte supportSystemSA-110ARM9EJ-SARM926EJ-SSaturatedmathsmodeDSP multiply-SA-1110ARM7EJ-SARM1026EJ-SaccumulateinstructionsSIMDInstructionsARM1020EThumbMulti-processinginstructionXScaleI setEarlyARMV6Memoryarchitecturesarchitecture(VMSA)ARM7TDMIARM9TDMIARM9E-SUnaligned datasupportARM720TARM940TARM966E-SARM1136EJ-S

Development of the ARM Architecture SA-110 1 Halfword and signed halfword / byte support System 2 mode 4 SA-1110 Improved ARM/Thumb Interworking CLZ 5TE Saturated maths DSP multiply￾ARM9EJ-S 5TEJ ARM7EJ-S ARM926EJ-S Jazelle Java bytecode execution ARM1026EJ-S ARM7TDMI 4T Thumb instruction set ARM9TDMI SA-1110 ARM720T ARM940T DSP multiply￾accumulate instructions XScale ARM1020E ARM9E-S ARM966E-S 3 Early ARM architectures ARM7EJ-S 6 ARM1136EJ-S ARM1026EJ-S SIMD Instructions Multi-processing V6 Memory architecture (VMSA) Unaligned data support

ARM处理器的特点，ARM处理器本身是32位设计，但也配备16位指令集。-16位指令占用的存储器空间节省35%。·条件执行-标志寄存器APSR（N，Z，C，V等条件标志）一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。·提高代码密度和执行速度，可用Load/Store指令批量传输数据。·可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位。·支持基于ARM处理器核的高集成SOC调试6/111Ilxx@ustc.edu.cn

• ARM处理器本身是32位设计，但也配备16位指令集。 –16位指令占用的存储器空间节省35%。 • 条件执行 –标志寄存器APSR（N，Z，C，V等条件标志） –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。 ARM处理器的特点 llxx@ustc.edu.cn 6/111 提高了指令的执行效率。 • 提高代码密度和执行速度 • 可用Load/Store指令批量传输数据。 • 可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移 位。 • 支持基于ARM处理器核的高集成SOC调试

iSTARM7的特征国人The ARM7 Thumb FamilyARM720TOpenplatformprocessorcoreMMUARM7EJJazelle-enabled core8KCacheARM7TDMI-SARM7TDMISynthesizable integer coreEmbeddedICE-RTEmbeddedICE-RTInteger coreEmbeddedICE-RTEmbeddedICE-RTETM9IntarfaceETM7 IntertaceETM7 IntertaceETM7 IntertaceDSPExtensionsARMv4TARMWATARMATARM7CoreJazelle ExtensionsARM7CorEeARM7CoreARMv5TEJThumbExtensionsThumb ExtensionsThumbExtensionsThumbExtensionsAHBInterfacePERFORMANCECHARACTERISTICSGenericPerformancePower ConsumptionAreaFrequencyProcessorFoundry ProcessMIP S/MHzmW/MHzmmMHz(Dhrystone 2.1)(Typicall)(Worst case)0.90.250.5390ARM7TDMI0.18μm0.90.390.62ARM7TDM-S0.18μm80-1101.00.450.9580-110ARM7EJ-S0.18m75ARM720T0.18um0.90.653.000.90.060.26133ARM7TDMI0.13μm0.90.100.32100-133ARM7TDMI-S0.13um1.00.180.42ARM7EJ-S0.13μm100-1337/870.90.202.40100ARM720T0.13μm

ARM7的特征 llxx@ustc.edu.cn 7/87

ARM7微处理器系列·三级流水线结构。最高可达130MIPS一取指、译码、执行·对操作系统的支持广泛-包括Windows CE、Linux、PalmOS等。·指令系统与ARM9系列、ARM10E系列兼容·ARM7TMDI是目前使用最广泛的32位嵌入式RISC处理器，属低端ARM处理器核。一Samsung公司的S3C44B08/111Ilxx@ustc.edu.cn

ARM7微处理器系列 • 三级流水线结构。最高可达130MIPS。 – 取指、译码、执行 • 对操作系统的支持广泛 – 包括Windows CE、Linux、Palm OS等。 llxx@ustc.edu.cn 8/111 • 指令系统与ARM9系列、ARM10E系列兼容 • ARM7TMDI是目前使用最广泛的32位嵌入式 RISC处理器，属低端ARM处理器核。 – Samsung公司的S3C44B0

ARM处理器结构A[31:0]ALE个1Address RegisterAddress RegisterJAddressIncrementeAddressIncrementerRegister BankInstruction(31 x 32bit registers)EXEC(6 stat us registers)DecoderDATA32&←BIGENDRegisterBank+PROG32Logic+←MCLKControlnWAITBooth's+nRWInstructionBocth'sMultiplier+nBWDecoderMultiplier94+nIROControl←nFIOnRESETLogkcBarrelABORTShifter+nOPCBarrel→nTRANSShifter+nMREOT→SEQLOCK32bitALUInstruction32bitALU+ICRPipeline&↑CPACPB1Read Data+ nMt0RegisterWrite Data Register个Instruction PipelineWrite Data Register&Read Data Register++L介7DBEIXOUT[31:0]nENOUTDATA(31:0)

ARM处理器结构 llxx@ustc.edu.cn 9/87

ARM9微处理器系列·5级流水线，哈佛结构，最高可达300MIPS。-取指->指令译码->执行->数据缓存->写回·支持32位的高速AMBA总线接口。·全性能的MMU，支持WindowsCE、LinuX、PalmOS等多种主流嵌入式操作系统。·支持数据Cache和指令Cache，具有更高的指令和数据处理能力。。ARM9系列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。10/111Ilxx@ustc.edu.cn

ARM9微处理器系列 • 5级流水线，哈佛结构，最高可达300MIPS。 –取指->指令译码->执行->数据缓存->写回 • 支持32位的高速AMBA总线接口。 • 全性能的MMU，支持Windows CE、Linux、 Palm OS等多种主流嵌入式操作系统。 llxx@ustc.edu.cn 10/111 • 支持数据Cache和指令Cache，具有更高的指令 和数据处理能力。 • ARM9系列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