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1、第二章ARM微处理器硬件结构,山东大学精品课程,嵌入式系统原理与接口技术,主编：贾智平张瑞华,清华大学出版社,2,内容提要,ARM 存 储 系 统 机 制,ARM处理器模式及内部寄存器,ARM处理器结构和技术特征,计算机体系结构,3,计算机体系结构,计算机中，按内存的组成分两种典型的结构：1.冯诺依曼结构/普林斯顿结构,4,冯诺依曼体系结构,指令寄存器,控制器,数据通道,输入,输出,中央处理器,存储器,程序,指令0,指令1,指令2,指令3,指令4,数据,数据0,数据1,数据2,结构特点：1、指令和数据存储在相同的内存空间，但存储地址不同。2、处理器利用相同的总线处理内存中的指令和数据，指令和数
2、据具有相同的数据宽度，指令与数据无法同时存取。,ARM7嵌入式微处理器亦采用此结构,5,哈佛体系结构,指令寄存器,控制器,数据通道,输入,输出,CPU,程序存储器,指令0,指令1,指令2,数据存储器,数据0,数据1,数据2,地址,指令,地址,数据,结构特点：1、指令存储和数据存储分开，指令和数据分别位于不同的存储空间。2、指令与数据的存取采用不同总线，取指令和存取数据可同时进行，微处理器具有较高的执行效率。,数字信号处理器DSP通常采用哈佛结构，ARM9嵌入式微处理器亦采用此结构。,6,第2章 ARM微处理器硬件结构,1,2,计 算 机 体 系 结 构,ARM处理器结构和技术特征,ARM处理器
3、模式及内部寄存器,3,4,ARM 存 储 系 统 机 制,7,ARM公司简介,成立于1990年11月前身为 Acorn计算机公司Advance RISC Machine(ARM)主要设计ARM系列RISC处理器内核授权ARM内核给生产和销售半导体的合作伙伴ARM 公司不生产芯片IP(Intelligence Property)另外也提供基于ARM架构的开发设计技术软件工具,评估板,调试工具,应用软件,总线架构,外围设备单元，等等,8,ARM,Partner,OEM Customer,ARM的业务模型,9,ARM简介,将技术授权给其它芯片厂商,形成各具特色的ARM芯片,10,ARM处理器内核(简
4、称ARM核),所谓ARM核就是传统意义上的微处理器，目前ARM公司共推出了7个ARM版本，这些版本的变化主要体现在内核的变化和内核的扩展。ARM核=ALU+CU+R+内部总线主要包括：1、算术逻辑部件2、控制部件3、寄存器组4、内部总线。,11,ARM简介,ARM处理器的应用当前主要应用于消费类电子领域；到目前为止，基于ARM技术的微处理器应用约占据了32位嵌入式微处理器75以上的市场份额全球80%的GSM/3G手机、99%的CDMA手机以及绝大多数PDA产品均采用ARM体系的嵌入式处理器，“掌上计算”相关的所有领域皆为其所主宰。ARM技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。,12,ARM简介,
5、ARM体系结构,ARM处理器为RISC芯片，其简单的结构使ARM内核非常小，这使得器件的功耗也非常低。它具有经典RISC的特点：,13,ARM体系结构版本,ARM体系结构共定义了7个版本，版本号分别为1-7。同时，各版本中还有一些变种，这里将某些特定功能称为ARM体系的某种变种(variant)ARM体系结构版本的变化主要体现为增加ARM核外围的组件以改善ARM性能和增加内核的功能。硬件ARM核外围的组件扩展：1、cache和紧耦合存储器TCM（片上RAM）2、存储管理部件 MMU3、协处理器（配置cache、TCM和存储管理）,14,ARM核的扩充功能：,1、T变种:Thumb指令集2、M变
6、种:增加64位长乘法指令3、E变种:增强型DSP指令,E变种的ARM体系增加了一些增强处理器对典型的DSP算法处理能力的附加指令。4、J变种:java加速器Jazelle提供了Java加速功能，使得Java代码的运行速度比普通的Java虚拟机提高了8倍。5、SIMD变种（单指令流多数据流）:ARM媒体功能扩展,ARM媒体功能扩展SIMD技术极大地提高了嵌入式应用系统的音频和视频处理能力，可使微处理器的音频和视频处理性能提高4倍。,15,ARM简介,各ARM体系结构版本,ARM体系结构从最初开发到现在有了很大的改进，并仍在完善和发展。为了清楚的表达每个ARM应用实例所使用的指令集，ARM公司定义
7、了7种主要的ARM指令集体系结构版本，以版本号V1V7表示。,16,ARM体系结构版本,ARM体系结构版本V1-V7（自学）主要是：寻址能力提高、增加不同的指令增加不同的硬件处理部件在不同的版本,有不同应用的处理芯片ARMv7定义了3种不同的处理器配置（processor profiles）:Profile A是面向复杂、基于虚拟内存的OS和应用；Profile R是针对实时系统；Profile M是针对低成本应用的系统。,17,ARM处理器的分类,结构体系版本（Architecture）ARM v4TARM v5TE ARM v6ARM Cortex(v7),Processor Family
8、ARM7 ARM9ARM10ARM11ARM Cortex,18,ARM各系列处理器（作资料了解）,ARM公司开发了很多系列的ARM处理器核，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：,ARM7,ARM9,ARM9E,ARM10,ARM11,SecurCore,Cortex,Xscale,19,ARM命名规则,1、基于ARM Architecture的版本命名规则|ARM Vn|variants|x（variants）|Vn n-指令集版本号，n1:7。variants-变种。x（variants）-排除x后指定的变种 例，ARMv5T
9、xM表示ARM指令集版本为5，支持T变种，不支持M变种。,20,2、基于ARM 处理器系列命名规则 ARMxyzTDMIEJF-Sx-处理器系列 y-存储管理/保护单元 z-cacheD-支持片上调试（加断点，单步执行）I-支持Embedded ICE，支持嵌入式跟踪调试。开发环境可跟踪调试目标板。-S-可综合版本，无s硬核,工艺固定不可综合。,21,ARM7TDMI,例：ARM7TDMI：整数处理核ARM7TDMIARM720T：带MMU的处理器核心，支持操作系统；ARM7EJ-S：带有DSP和Jazelle TM 技术，能够实现Java加速功能，处理器的可综合版本；,22,ARM7TDMI
10、,简介,ARM7TDMI处理器是ARM通用32位微处理器家族的成员之一。它具有优异的性能，但功耗却很低，使用门的数量也很少。它属于精简指令集计算机（RISC），比复杂指令集计算机（CISC）要简单得多。这样的简化实现了：,高的指令吞吐量；出色的实时中断响应；小的、高性价比的处理器宏单元。,23,ARM7TDMI,三级流水线,ARM7TDMI处理器使用流水线来增加处理器指令流的速度。这样可使几个操作同时进行，并使处理和存储器系统连续操作，能提供0.9MIPS/MHz的指令执行速度。ARM7TDMI的流水线分3级，分别为：取指译码执行,24,ARM7TDMI,存储器访问,ARM7TDMI处理器使用
11、了冯诺依曼（Von Neumann）结构，指令和数据共用一条32位总线。只有装载、存储和交换指令可以对存储器中的数据进行访问。数据可以是字节（8位）、半字（16位）或者字（32位）。,25,ARM7TDMI结构框图,26,基本组成:(详见前图)1、寄存器块由通用寄存器和状态寄存器组成，主要用来保存处理器状态和处理器工作中的数据。2、5个对外端口2个读端口，用于读2个源操作数；1个写端口，用于写入目的操作数；上述端口都可访问任意寄存器；1个专门访问程序计数器R15的附加读端口；1个附加写端口。,27,3、桶式移位器 主要完成指令中第2个操作数移位。4、ALU 执行算术逻辑运算5、地址寄存器和增值
12、器选择和保存所有存储器地址，并在需要时通过地址增值器生成顺序地址。6、数据寄存器 对传送到存储器或从存储器取回的数据暂存。7、控制通路/控制器基本功能模块是指令解码器和相关的控制逻辑。,28,ARM7硬件结构,28,29,ARM9,ARM9微处理器系列 特点：基于ARM9TDMI，带16位的Thumb指令集，增强代码密度最多到35%；在0.13m工艺下最高性能可达到300MIPS（Dhrystone 2.1测试标准）；集成了数据和指令Chche；32位AMBA总线接口的MMU支持；可在0.18m、0.15m和0.13m工艺的硅芯片上实现。,30,ARM920T内核结构,返回,31,32,存储地
13、址空间：每个bank 128MB（8个BANK 1GB）每个bank可编程为8/16/32位数据总线；bank0至bank6 为固定起始地址；Bank7可编程bank起始地址和大小；6个存储器bank用于ROM、SRAM和其他；2个存储器bank用于ROM、SRAM和同步DRAM；每个bank可编程存取周期；支持不同类型的ROM用于启动Flash、EEPROM和其他。,33,ARM处理器工作状态,ARM和Thumb状态 ARM指令系统（V4版以后具有Thumb指令集）：32位ARM指令集：固定的32位指令，Load/Store RISC特征，3地址格式。16位Thumb指令集：是ARM指令集的
14、子集，按16位指令重新编码，固定的16位指令，Load/Store RISC特征，2地址格式。,注意：两个状态之间的切换并不影响处理器模式或寄存器内容。,34,处理器状态切换,使用BX指令将ARM7TDMI内核的操作状态在ARM状态和Thumb状态之间进行切换，程序如下所示。,;从Arm状态切换到Thumb状态 LDR R0,=Lable+1 BX R0;从Thumb状态切换到ARM状态 LDR R0,=Lable BX R0,地址最低位为1，表示切换到Thumb状态,地址最低位为0，表示切换到ARM状态,跳转地址标号,35,流水线技术,流水线(Pipeline)技术：几个指令可以并行执行 提
15、高了CPU的运行效率 内部信息流要求通畅流动,译码,取指,执行add,译码,取指,执行sub,译码,取指,执行cmp,时间,36,流水线技术,为增加处理器指令流的速度，ARM7 系列使用3级流水线允许多个操作同时处理，比逐条指令执行要快。PC指向正被取指的指令，而非正在执行的指令,Fetch,Decode,Execute,从存储器中读取指令,解码指令,寄存器读（从寄存器Bank）移位及ALU操作寄存器写（到寄存器Bank）,PCPC,PC-4PC-2,PC-8PC-4,ARMThumb,当前pc所指向的指令,已完成取指的指令,已完成解码的指令,37,在ARM7的3级流水线结构中流水线易出现阻塞
16、或间断，这必然降低了流水线的效率，为了提高处理器的性能，必然要考虑如何优化处理器的组织结构。（1）缩短程序执行时间:提高时钟频率fclk 减少每条指令的平均时钟周期数CPI,流水线技术,Tprog：程序执行时间Ninst：指令条数CPI：指令平均时钟周期数FCLK：时钟频率,38,流水线技术,（2）解决流水线相关:结构相关 数据相关 控制相关,如果某些指令在流水线中重叠执行时，产生资源冲突，则称该流水线存在结构相关。解决：资源重复（Cache 分离、ALU中单独的地址计算加法器）,写后读”、“写后写”“读后写”解决：专用通路、流水线互锁技术,当流水线遇到分支指令和其他会改变PC值的指令时，取指
17、取决于指令执行条件，可能需重新取指，致使流水线停顿。解决：引入延时分支、尽早计算转移成功时的目标地址。,add r0,r1,r2mov r2,r0,add r0,r1,r2add r0,r3,r4,mov r2,r0 add r0,r1,r2,39,多周期ARM指令的3级流水线操作,STR计算存储器地址与ADD译码，都为下一周期产生数据传送控制信号，不能同步进行。Data xfer-excute占用数据路径,两条指令不能同时译码。,取指与存数冲突,若流水线产生资源冲突，则称该流水线存在结构相关。如，取指存数冲突，2条指令同时占用译码级等。,40,流水线技术,超标量(Superscalar)执行：超标量CPU采用多条流水线结构,执行1,取指,指令,译码2,译码1,执行2,执行1,取指,译码2,译码1,执行2,流水线1,流水线2,数据回写,41,流水线技术,注意：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，判断当前的指令组合是否能同时执行；如果代码中有分支指令，我们必须将分支被执行和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；,42,流水线技术,ARM各个系列的流水线：,
