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1、第二章 ARM技术概述,ARM概述ARM体系结构Thumb技术介绍,一、ARM概述,ARM是什么？Advanced RISC Machines一个公司的名字英国知识产权核（IP）设计公司一类微处理器的通称一种技术的名字（ARM微处理器核）,ARM 微处理器的应用领域及特点 ARM处理器市场覆盖率最高、发展趋势广阔基于ARM技术的32位微处理器，市场的占有率目前已达到80%。绝大多数IC制造商都推出了自己的ARM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，以及国外的一些公司如德州仪器、意法半导体、Philips、Intel、Samsung等都推出了自己设计的基于ARM核的处理器。
2、,应用一：工业控制领域作为32 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。应用二：无线通讯领域目前已有超过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。,应用三：网络设备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进行了优化，并获得广泛支持，也对DSP 的应用领域提出了挑战。应用四：消费类电子产品ARM 技术在目前流行的数字音
3、频播放器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用。应用五：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ARM 技术。手机中的32位SIM 智能卡也采用了ARM 技术。,ARM处理器的使用量,ARM处理器的特点:1、体积小、低功耗、低成本、高性能；2、支持Thumb（16 位）/ARM（32 位）双指令集，能很好的兼容8 位/16 位器件；3、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；5、寻址方式灵活简单，执行效率高；6、指令长度固定；,几个重要概念：冯诺依曼体系结构模型,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,
4、指令3,指令4,数据,数据0,数据1,数据2,总线,指令的执行周期T1）取指令（Instruction Fetch)：TF2）指令译码（Instruction Decode）：TD3）执行指令（Instruction Execute）：TE4）存储（Storage）：TS每条指令的执行周期：T=TF+TD+TE+TS,冯诺依曼体系的特点1）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。2）被早期大多数计算机所采用3）ARM7冯诺依曼体系结构简单,但速度较慢。取指不能同时取数据,哈佛体系结构模型,指令寄存器,控制器,数据通道,输入,输出,中央处理器,程序存储器,指令0,指令1,
5、指令2,数据存储器,数据0,数据1,数据2,总线,总线,哈佛体系结构的特点1）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，各自有自己的总线。3）适合于数字信号处理.4）大多数DSP都是哈佛结构.5）ARM9是哈佛结构6）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、程序和数据共用。,CISC：复杂指令集（Complex Instruction Set Computer）具有大量的指令和寻址方式8/2原则：80%的程序只使用20%的指令大多数程序只使用少量的指令就能够运行。CISC CPU 包含有丰富的单元电路，因而功能强、面积大、功耗大。,RISC
6、：精简指令集（Reduced Instruction Set Computer)在通道中只包含最有用的指令,只提供简单的操作。确保数据通道快速执行每一条指令Load-store结构 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器之间的传送。使CPU硬件结构设计变得更为简单，RISC CPU包含较少的单元电路，因而面积小、功耗低,主要差别：寄存器RISC指令集 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。CISC指令集 多用于特定目的的专用寄存器。LOAD STORE 结构RISC结构 Cpu 仅处理寄存器中的数据
7、，采用独立的、专用的LOAD STORE 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 能直接处理存储器中的数据。,二、ARM体系结构,ARM系列产品表示,ARM 926EJ-S,Family number 7:ARM7 9:ARM910:ARM1011:ARM11,Memory system 2:Cache,MMU,Process ID 4:Cache,MPU 6:Write buffer,no cache,Memory size 0:Cache size(4-128KB)2:Reduced cac
8、he size 6:TCM,Synthesizable,Extensions E:DSP extension J:Jazelle extension T:Thumb support,ARM处理器的分类基于指令集体系结构的分类v1，v2，v5，v5TEJ，v6等基于处理器内核的分类ARM7，ARM9，ARM10，ARM11，StrongARM，XScale等,ARM体系结构版本 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：V1版架构 V2版架构 V3版架构 V4版架构 V5版架构 V6版架构,V1版架构 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
9、)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),V2版架构 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,V3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。,V4版架
10、构 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。,V5版架构 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
11、更多可选择的指令,v6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,ARM处理器内核系列：ARM7 Family,ARM9 Family,ARM10 Family,ARM11 Family,指令集体系结构（ISA）,注：v5T支持的Thumb是对v4T中的Thumb的扩展,ARM芯片选择的一般原则 从应用的角度，对在选择ARM芯片时所应考虑的主要因素有：(1)ARM芯核 如果希望使用WinCE或Linux等操作系统以减少软件开发时间，就需要选择ARM720T以上带有MMU功能
12、的ARM芯片.(2)系统时钟控制器 系统时钟决定了ARM芯片的处理速度。ARM7的处理速度为0.9MIPS/MHz,常见的ARM7芯片系统主时钟为20MHz-133MHz,ARM9的处理速度为1.1MIPS/MHz,常见的ARM9的系统主时钟为100MHz-233MHz,ARM10最高可以达到700MHz,(3)内部存储器容量 在不需要大容量存储器时，可以考虑选用有内置存储器的ARM芯片。(4)GPIO数量 在某些芯片供应商提供的说明书中，往往申明的是最大可能的GPIO数量，但是有许多引脚是和地址线、数据线、串口线等引脚复用的。这样在系统设计时需要计算实际可以使用的GPIO数量。,P307-表
13、6.26,(5)USB接口 许多ARM芯片内置有USB控制器，有些芯片甚至同时有USB Host和USB Slave控制器。(6)中断控制器 ARM内核只提供快速中断(FIQ)和标准中断(IRQ)两个中断向量。但各个半导体厂家在设计芯片时加入了自己不同的中断控制器，以便支持诸如串行口、外部中断、时钟中断等硬件中断。外部中断控制是选择芯片必须考虑的重要因素，合理的外部中断设计可以很大程度的减少任务调度的工作量。,(7)LCD控制器 有些ARM芯片内置LCD控制器，有的甚至内置64K彩色TFT LCD控制器。在设计PDA和手持式显示记录设备时，选用内置LCD控制器的ARM芯片较为适宜。(8)扩展总
14、线 大部分ARM芯片具有外部SDRAM和SRAM扩展接口，不同的ARM芯片可以扩展的芯片数量即片选线数量不同，外部数据总线有8位、16位或32位。某些特殊应用的ARM芯片如德国Micronas的PUC3030A没有外部扩展功能。(9)DSP协处理器(10)封装 主要的封装有QFP、TQFP、PQFP、LQFP、BGA、LBGA等形式，BGA封装具有芯片面积小的特点，可以减少PCB板的面积，但是需要专用的焊接设备，无法手工焊接。另外一般BGA封装的ARM芯片无法用双面板完成PCB布线，需要多层PCB板布线。,三、Thumb技术介绍,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
15、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。,Thumb是ARM体系结构的扩展。它有从标准32位ARM指令集抽出来的36条指令格式，可以重新编成16位的操作码。这能带来很高的代码密度。支持Thumb的ARM体系结构的处理器状态可以方便的切换、运行到Thumb状态，在该状态下指令集是16位的Thumb指令集。,与ARM指令集相比Thumb指令集具有以下局限 完成相同的操作，Thumb指令通常需要更多的指令，因此在对系统运行时间要求苛刻的应用场合ARM指令集更为适合；Thumb指令集没有包含进行异常处理时需要的一些指令，因此在异常中断时，还是需要使用ARM指令，这种限制决定了Thumb指令需要和ARM指令配合使用。,
