第一講ARM體系結構介紹

面向二十一世紀的嵌入式系統技術

1ppt課件課程簡介課程內容：ARM體系結構介紹。課程目的：了解ARM分類方法，流水線含義，處理器狀態與模式及兩種狀態集

。

講座時間：45分鐘2ppt課件本節主要內容ARM發展歷程及其體系結構介紹。ARM及其發展歷程。基本概念處理器分類體系結構指令系統3ppt課件

ARM介紹ARM（Advanced

RISCMachines），由英國ARM公司開發的一種被業界統稱為ARM體系結構的微處理器內核技術。1991年ARM公司成立于英國劍橋，主要出售芯片設計技術的授權。目前，已有N多家半導體廠商采用ARM技術知識產權（IP）核的微處理器，如Intel、Motorola、Sumsang、Philips。涉及工業控制、消費類電子產品、通信系統、網絡系統、無線系統等各類產品市場，可以說ARM技術正在逐步滲入到我們生活的各個方面。由于ARM在業界的廣泛應用，因此采用ARM技術可獲得更多的第三方工具、制造、軟件的支持，又使整個系統成本降低，使產品更容易進入市場被消費者所接受，更具有競爭力。對于就業來講，掌握ARM技術可以到國內外采用ARM內核技術的半導體公司供職，或到選用ARM芯片進行產品設計的公司就職。4ppt課件體系結構業界常用體系結構有：ARM、X86、PowerPC、68K。體系結構所涉及的內容有：(1)指令系統(2)數據表示(3)操作數的尋址方式(4)寄存器的構成定義(5)中斷機構和例外條件(6)存儲體系和管理(7)I/O結構(8)機器工作狀態定義和切換(9)信息保護。體系結構的概念理解，用匯編語言將CPU全部性能發揮出來后所用到的指令集系統與CPU資源5ppt課件ARM體系結構的特點具有RISC體系的一般特點。具有大量的寄存器。絕大多數操作在寄存器中進行，通過Load/Store指令系統在內存和寄存器間傳遞數據。尋址方式簡單。采用固定長度的指令格式。ARM體系采用了一些特別技術，其特色表現如下。在同一數據處理指令中包含算術邏輯處理和移位處理。使用地址自動增加（減少）優化程序中循環處理。Load/Store指令可以批量傳輸數據，提高數據傳輸效率。所有指令都可根據前面指令執行結果，決定是否執行，以提高指令效率。6ppt課件ARM體系結構的指令集版本變化7ppt課件ARM體系下的變種8ppt課件ARM系列處理器分類ARM微處理器目前包括下面幾個系列，以及其它廠商基于ARM體系結構的處理器，除了具有ARM體系結構的共同特點以外，每一系列的ARM微處理器都有各自的特點和應用領域。－ARM7系列－ARM9系列－ARM9E系列－ARM10E系列－SecurCore系列－Inter的Xscale－ARM11ARM7、ARM9、ARM9E和Xscale為4個通用處理器系列，每一個系列提供一套相對獨特的性能來滿足不同應用領域的需求。SecurCore系列專為安全要求較高的應用而設計9ppt課件ARM7微處理器系列ARM7系列微處理器為低功耗的32位RISC處理器，最適合用于對價位和功耗要求較高的消費類應用。ARM7微處理器系列具有如下特點：－能夠提供0.9MIPS/MHz的三級流水線結構。－代碼密度高并兼容16位的Thumb指令集。－主頻最高可達130MIPS，高速的運算處理能力能勝任絕大多數的復雜應用。ARM7系列微處理器包括如下幾種類型的核：ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ。其中，ARM7TMDI是目前使用最廣泛的32位嵌入式RISC處理器，屬低端ARM處理器核。10ppt課件TDMI的基本含義ARM除以前的指令集版本的變種以外，還增加了相應內嵌的調試功能接口。T：支持16位壓縮指令集Thumb；D：支持片上Debug；M：內嵌硬件乘法器（Multiplier）；I：嵌入式ICE，支持片上斷點和調試點；11ppt課件流水線流水線是指在一個指令周期內處理器進行多種行為的處理，以增加處理器指令流的速度。如三級流水級，就一個指令周期內有三種行為發生，取指譯碼執行。這三種行為同時發生，每種行為都對應一條指令的執行過程的某個環節，而不是三種行為對應一條指令的執行過程。比如譯碼行為針對的是上一個指令的譯碼PC指針指向的是取指的指令。12ppt課件ARM９微處理器系列ARM9系列微處理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。具有以下特點：－5級整數流水線，指令執行效率更高。－提供1.1MIPS/MHz的哈佛結構。－支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。－支持32位的高速AMBA總線接口。－全性能的MMU，支持WindowsCE、Linux等主流嵌入式操作系統。－具有MPU功能支持實時操作系統。－統一的數據Cache和指令Cache，具有更高的指令和數據處理能力。ARM9系列微處理器包含ARM920T、ARM922T和ARM940T三種類型，以適用于不同的應用場合。13ppt課件ARM9E微處理器系列ARM9E系列微處理器使用單一的處理器內核提供了微控制器、DSP、Java應用系統的解決方案，減少了芯片的面積和系統的復雜程度。ARM9E系列微處理器提供了增強的DSP處理能力，適合于需要同時使用DSP和微控制器的應用場合。ARM9E系列除具有ARM9處理器的特點外還有如下特點：－支持DSP指令集，適合于需要高速數字信號處理的場合。－支持VFP9浮點處理協處理器。－主頻最高可達300MIPS。ARM9E系列微處理器包含ARM926EJ-S、ARM946E-S和ARM966E-S三種類型，以適用于不同的應用場合。14ppt課件ARM10E和SecurCore微處理器系列這兩種處理器非業界通用型處理器，相對接觸人群較少，因此不過多介紹。ARM10E包括ARM1020E、ARM1022E、ARM1026EJ-S三種類型，具有VFP10浮點運算協處理器，主頻可高達400MHz。主要用于2D和3D圖像處理，如視頻游戲機等。SecurCore系列微處理器專為安全需要而設計，提供了完善的32位RISC技術的安全解決方案，因此，SecurCore系列微處理器除了具有ARM體系結構的低功耗、高性能的特點外，還具有其獨特的優勢，即提供了對安全解決方案的支持。SecurCore系列微處理器包含SecurCore

SC100、SecurCore

SC110、SecurCore

SC200和SecurCore

SC210四種類型。15ppt課件Xscale處理器系列Xsclae體系結構的兩大陣營是PXA系列和IXP系列。都是基于ARMv5TE體系結構內核的，具有七級流水，32K指令Cache和32K的數cache。PXA系列，為手持設備媒體處理器平臺，如有PXA255、PXA270、PXA26X系列，目前PXA系列已賣給Mavell公司。PXA270最高主頻為520MHz，具有非富的外圍接口，目前高端智能手機中常采用此處理器。IXP系列，是intel的網絡處理器平臺，有IXP4XX系列、IXP12XX、IXP2XXX系列。主要應用于網絡路由器，防火墻，VOIP交換設備和VPN網關等。IXP2855主頻高達1.5GHz，支持高達2GB的內存，PCI為66bit/66MHz。強大的GE網絡功能，支持1×10或10×1的GE網絡接口，支持15GBps的Fabric通道。16ppt課件ARM處理器的七種運行模式ARM狀態下支持7種處理器模式，可以通過軟件改變，也可以通過外部中斷或異常處理改變。這七種模式如下：用戶模式（user），是正常程序的執行模式，不能直接切換到其它模式。快速中斷模式（fiq），用于高速數據傳輸和通過處理。外部中斷模式（irq），用于通常的中斷處理。管理模式（svc），供操作使用的一種保護模式，系統復位和軟件中斷時進入該模式。數據訪問中止模式（abt），用于虛擬存儲及存儲保護。未定義指認中止模式（und）,末定義指定導常出現時，進入此模式。系統模式（sys），用于特權級的操作系統任務，可直接切換到其它模式。大多數的應用程序運行在用戶模式下，當處理器運行在用戶模式下時，某些被保護的系統資源是不能被訪問的。除用戶模式以外，其余的所有6種模式稱之為非用戶模式，或特權模式（PrivilegedModes）；其中除去用戶模式和系統模式以外的5種又稱為異常模式（ExceptionModes），常用于處理中斷或異常，以及需要訪問受保護的系統資源等情況。ARM體系結構17ppt課件ARM的寄存器ARM處理器共７種模式共對應有37個寄存器。其中包括31個通用寄存器，包括程序計數器（PC）在內，每個寄存器都為32位。6個狀態寄存器（SPSR和CPSR），每個寄存器都為32位，但只使用了12位。在任意的處理器模式下，都有15個通用寄存器和一個或兩個狀態寄存器，及一個程序計數器（PC）。有些模式共用同一個物理寄存器，比如R0--R7，同時還有自己專用寄存器。ARM體系結構18ppt課件Thumb及其寄存器與ARM寄存器相比，Thumb寄存器缺少了R8—R12寄存器。Thumb是把大多數32位的ARM指令子集壓縮成16寬操作碼，用于在16位系統下，得到近似32位的性能。ARM:32位，執行字對準的ARM指令Thumb:16位，執行半字對準的Thumb指令兩種工作狀態可以相互切換，當處在Thumb狀態下發生外部中斷或異常時，處理完畢后，程序會自動跳回Thumb狀態ARM體系結構19ppt課件特殊的寄存器R13，堆棧指針寄存器，處理器的每種運行模式均有自己獨立的物理寄存器R13，在程序初始化時，一般都要初始化每種模式下的R13，使其指向該運行模式的棧空間，這樣，當程序進入異常模式時，可以將需要保護的寄存器放入R13所指向的堆棧，而當程序從異常模式返回時，則從對應的堆棧中恢復，采用這種方式可以保證異常發生后程序的正常執行。R14，也稱作子程序連接寄存器（SubroutineLinkRegister）或連接寄存器LR。當執行BL子程序調用指令時，R14中得到R15（程序計數器PC）的備份。MOVPC,LR

;將LR中存放的PC備份值送給PC指針寄存器。BXLR，;跳轉到LR指向的地址，這時PC指針增加，指向下一條指令。R15，用作程序計數器（PC）。指示當前程序進行的指令地址。ARM體系結構20ppt課件模式切換的寄存器保護先是初始化各種處理器模式下的堆空間地址。當進入相應的模式時，將需要保存的寄存器保存到R13所指定的該模式的堆棧空間，如左圖，SVC定義的為TaskStack空間，IRQ定主的IRQStack空間。當退出相應異常模式時，再將堆棧中的寄存器內容還原。保存PC及相應寄存器值到堆棧STMFDSP!,{<reg>,LR}恢復相應寄存器值LDMFDSP!,{<reg>,PC}ARM體系結構21ppt課件CPSR狀態標志位當條件成立時標志位為“１”。控制位中I和F位置“１”時禁止中斷，如果想要進入中斷該位要置為“０”。控制位中的T，表是執行的ARM還是Thumb指令，為０則為ARM指令。M4-0是指處理器所處狀態22ppt課件異常及導常類型當正常的程序執行流程發生暫時的停止時，稱之為異常。在處理異常之前，當前處理器的狀態必須保留，這樣當異常處理完成之后，當前程序可以繼續執行。處理器允許多個異常同時發生，它們將會按固定的優先級進行處理。異常類型、優先級及在存貯器中的入口地址如下示。復位 0x0000,0000 管理模式

未定義指令 0x0000,0004 未定義模式

軟件中斷 0x0000,0008 管理模式

指令預取中止 0x0000,000C 中止模式

數據中止 0x0000,0010 中止模式

IRQ（外部中斷請求） 0x0000,0018 IRQ模式FIQ（快速中斷請求） 0x0000,001C FIQ模式ARM體系結構23ppt課件各種異常的含義說明復位，當處理器的復位電平有效時，產生復位異常，程序跳轉到復位異常處理程序處執行。未定義指令，當ARM處理器或協處理器遇到不能處理的指令時，產生未定義指令異常。可使用該異常機制進行軟件仿真。軟件中斷，該異常由執行SWI指令產生，可用于用戶模式下的程序調用特權操作指令。可使用該異常機制實現系統功能調用。指令預取中止，若處理器預取指令的地址不存在，或該地址不允許當前指令訪問，存儲器會向處理器發出中止信號，但當預取的指令被執行時，才會產生指令預取中止異常。數據中止，若處理器數據訪問指令的地址不存在，或該地址不允許當前指令訪問時，產生數據中止異常。IRQ（外部中斷請求），當處理器的外部中斷請求引腳有效，且CPSR中的I位為0時，產生IRQ異常。系統的外設可通過該異常請求中斷服務。FIQ（快速中斷請求），當處理器的快速中斷請求引腳有效，且CPSR中的F位為0時，產生FIQ異常ARM體系結構24ppt課件發生異常時的ARM處理器的響應過程處理器響應過程的偽代碼描述如下。存入下一條指令地址R14_<Exception_Mode>=ReturnLink保存當前程序狀態寄存器到將要執行異常處理的SPSR中SPSR_<Exception_Mode>=CPSR

設置運行模式CPSR[4:0]=ExceptionModeNumber設置運行于ARM工作狀態時CPSR[5]=0 If<Exception_Mode>==ResetorFIQthen，當響應FIQ異常時，禁止新的IRQ和FIQ異常

CPSR[6]=1

CPSR[7]=1

PC值指向異常的向量地址PC=ExceptionVectorAddressARM體系結構25ppt課件異常處理的方式當系統運行時，異常可能會隨時發生，為保證在ARM處理器發生異常時不至于處于未知狀態，在應用程序的設計中，首先要進行異常處理，采用的方式是在異常向量表中的特定位置放置一條跳轉指令，跳轉到異常處理程序，當ARM處理器發生異常時，程序計數器PC會被強制設置為對應的異常向量，從而跳轉到異常處理程序，當異常處理完成以后，返回到主程序繼續執行。

ENTRYbResetHandler

bHandlerUndef

bHandlerSWI

bHandlerPabort

bHandlerDabort

b.

bHandlerIRQ

bHandlerFIQARM體系結構26ppt課件異常的退出將LR中的值減去偏移量后移入PC寄存器中恢復CPSR，即從SPSR中恢復出來。清除入口置位時的中斷標志。返回異常中斷的指令的下一條指令處執行。在異常發生時，PC指針所指的位置對于各種異常向量是不同的，返回地址時參數也是不同的。計算返回地址指令如下。SUBS

PC,R14_Mode,#4。適用于BL，SWI，未定義的指令，預取中止，快中斷，中斷。數據中止時的參數為#8。ARM體系結構27ppt課件ARM的存儲器格式ARM的存儲空間是統一編址的，該地址空間的大小為4G字節，即為232。ARM的地址空間可看作是230

個32位字。在ARMv4以上版本也可看作是中可以用231

個16位半字。ARM有兩種不同的存儲器格式，big-endian，地址的高位存放數據字節的低位。little-endian，地址的低位存放數據字節的低位。ARM體系結構28ppt課件尋址方式尋找方式是是處理器執行指令時尋找真實操作數的方式，ARM支持九種尋址方式。寄存器尋址：寄存器中的內容為操作數。立即尋址：操作數即在指令中，讀取指令就讀取操作數。寄存器移位尋址：ARM指令集特有的尋址方式，真實操作數由寄存器移動一定位數得來。寄存器間接尋址：操作數在內存中，通過寄存器存貯內存中的地址來查找真正的操作數。基址尋址：與間接尋址相似，操作數在內存中的位置是由寄存器的值加上指令指定的一個偏移得到。多寄存器尋址：一次可把內存中的多個值傳送到多個寄存器或是把多個寄存器的值一次傳遞到內存中。堆棧尋址：多寄存器尋址的特殊形式，是按堆棧形式工作的多寄存器尋址。塊拷貝尋址：用于內存拷貝，也是多寄存器尋址的特殊形式。相對尋址：基址尋址的特殊形式，這個基址必須由PC來提供。ARM體系結構29ppt課件ARM指令集ARM指令集可分為五大類，分支指令、數據處理指令、加載/存儲指令、協處理器指令和雜項指指令。分支指令，提供一個24位有符號編移，可實現32M的轉移。數據處理指令，是在通用寄存器上執行計算，有以下幾種算術/邏輯指令。比較指令。乘法指令。加載/存儲指令，包括以下幾種。加載/