嵌入式系统应用与开发_第二章_ARM架构(一).pptx
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令 ·寻址空间：64M字节
3. V3版架构
V3版架构对ARM体系结构作为较大的改动,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(Current Program Status Register)和程序状态 保存寄存器SPSR(Saved Program Status Register)以 便于异常(Exception)的处理。增加了中止(Abort)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：
小知识：RISC体系结构（续二）
表2.1 典型指令使用频度
指令类型
使用指令使用频度
数据传送类
43%
转/跳控制类
23%
算术运算类
15%
比较类
13%
逻辑运算类
5%
其他Leabharlann Baidu
1%
小知识：RISC体系结构（续三）
1979年美国加州大学伯克利分校提出了 RISC（Reduced Instruction Set Computer，精简 指令集计算机）的概念，RISC并非只是简单地 去减少指令，而是把着眼点放在了如何使计算 机的结构更加简单合理地提高运算速度上。 RISC结构优先选取使用频最高的简单指令，避 免复杂指令；将指令长度固定，指令格式和寻 地方式种类减少；以控制逻辑为主，不用或少 用微码控制等措施来达到上述目的。
2. Thumb指令集
由于RISC型处理器的指令功能相对比较弱， ARM为了弥补此不足，在新型ARM架构（V4T版以 上）定义了16位的Thumb指令集。Thumb指令集比 通常的8位和16位CISC/RISC处理器具有更好的代 码密度，而芯片面积只增加6%。可以使程序存储 器更加小。
Thumb指令集为ARM指令集的功能子集，但与 等价的ARM代码相比较，可节省30％～40％以上 的存储空间，同时具备32位代码的所有优点。
小知识：RISC体系结构（续四）
RISC体系结构应具有如下特点： • 采用固定长度的指令格式，指令归整、简单、
基本寻址方式有2～3种。 • 使用单周期指令，便于流水线操作执行。 • 大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进
行操作，只有加载/ 存储指令可以访问存储器， 以提高指令的执行效率。
现代的CPU往往采用CISC的外围，内部加 入了RISC的特性，如超长指令集CPU就是融合 了RISC和CISC的优势，成为未来的CPU发展 方向之一。
1. 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) ·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(226)
2. V2版架构 该版架构对V1版进行了扩展,如ARM2与
ARM3(V2a版)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的最基本存储器与寄存器交换指
3.多处理器状态模式
ARM可以支持用户、快中断、中断、 管理、中止、系统和未定义等七种处理 器模式，除了用户模式外，其余的均为 特权模式。这也是ARM的特色之一，可以 大大提高ARM处理器的效率。
表2.2 ARM version4 processor modes
4.嵌入式在线仿真调试
ARM架构的处理器芯片都嵌入了在线 仿真ICE—RT逻辑，便于通过了JTAG来仿 真调试ARM架构芯片。另外，在处理器核 中还可以嵌入跟踪宏单元ETM（Embedded Trace Macrocell），用于监控内部总线， 实时跟踪指令和数据的执行。
2.1 ARM架构的发展
ARM公司(Advanced RISC Machines Limited)正式成立于1990年。目前,ARM 架构处理器已在高性能、低功耗、低成 本的嵌入式应用领域占据领先地位，已 占有75%左右的市场。
ARM架构自诞生至今,已经发生了很 大的演变,至今已定义5种不同的版本：
·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。
4. V4版架构
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：
第二章 ARM体系结构
ARM公司是嵌入式RISC处理器的知 识产权IP供应商,它为ARM架构处理器提 供了ARM处理器内核(如ARM7TDMI、 ARM9TDMI、ARM10TDMI等)和ARM处 理器核(ARM710T/720T/740T、 ARM920T/922T/940T、ARM926E/966E 及ARM1020E等)。
·符号化和非符号化半字及符号化字节的存/取指令
·增加了16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
5. V5版架构 这是最近推出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：
小知识：RISC体系结构
传统的CISC（Complex Instruction Set Computer，复杂指令集计算机）结构越来越复 杂。在CISC指令集的各种指令中，其使用频率 却相差悬殊，大约有20％的指令会被反复使用， 占整个程序代码的80％。而余下的80％的指令 却不经常使用，在程序设计中只占20％，显然， 这种结构是不太合理的。
·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 ·增加了信号处理指令(V5TE版) ·为协处理器增加更多可选择的指令
2.2 ARM架构的特点
1. RISC(Reduced Instruction Set Computer) 型处 理器结构
• 尽量减少复杂功能指令 • 每条指令在单机器周期内执行 • 每条指令都是32bit，具有多种操作功能 • 访问存储空间指令采用LOAD/STORE结构 • 采用cache来提高存/取速度 • 多寄存器结构
3. V3版架构
V3版架构对ARM体系结构作为较大的改动,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(Current Program Status Register)和程序状态 保存寄存器SPSR(Saved Program Status Register)以 便于异常(Exception)的处理。增加了中止(Abort)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：
小知识：RISC体系结构（续二）
表2.1 典型指令使用频度
指令类型
使用指令使用频度
数据传送类
43%
转/跳控制类
23%
算术运算类
15%
比较类
13%
逻辑运算类
5%
其他Leabharlann Baidu
1%
小知识：RISC体系结构（续三）
1979年美国加州大学伯克利分校提出了 RISC（Reduced Instruction Set Computer，精简 指令集计算机）的概念，RISC并非只是简单地 去减少指令，而是把着眼点放在了如何使计算 机的结构更加简单合理地提高运算速度上。 RISC结构优先选取使用频最高的简单指令，避 免复杂指令；将指令长度固定，指令格式和寻 地方式种类减少；以控制逻辑为主，不用或少 用微码控制等措施来达到上述目的。
2. Thumb指令集
由于RISC型处理器的指令功能相对比较弱， ARM为了弥补此不足，在新型ARM架构（V4T版以 上）定义了16位的Thumb指令集。Thumb指令集比 通常的8位和16位CISC/RISC处理器具有更好的代 码密度，而芯片面积只增加6%。可以使程序存储 器更加小。
Thumb指令集为ARM指令集的功能子集，但与 等价的ARM代码相比较，可节省30％～40％以上 的存储空间，同时具备32位代码的所有优点。
小知识：RISC体系结构（续四）
RISC体系结构应具有如下特点： • 采用固定长度的指令格式，指令归整、简单、
基本寻址方式有2～3种。 • 使用单周期指令，便于流水线操作执行。 • 大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进
行操作，只有加载/ 存储指令可以访问存储器， 以提高指令的执行效率。
现代的CPU往往采用CISC的外围，内部加 入了RISC的特性，如超长指令集CPU就是融合 了RISC和CISC的优势，成为未来的CPU发展 方向之一。
1. 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) ·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(226)
2. V2版架构 该版架构对V1版进行了扩展,如ARM2与
ARM3(V2a版)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的最基本存储器与寄存器交换指
3.多处理器状态模式
ARM可以支持用户、快中断、中断、 管理、中止、系统和未定义等七种处理 器模式，除了用户模式外，其余的均为 特权模式。这也是ARM的特色之一，可以 大大提高ARM处理器的效率。
表2.2 ARM version4 processor modes
4.嵌入式在线仿真调试
ARM架构的处理器芯片都嵌入了在线 仿真ICE—RT逻辑，便于通过了JTAG来仿 真调试ARM架构芯片。另外，在处理器核 中还可以嵌入跟踪宏单元ETM（Embedded Trace Macrocell），用于监控内部总线， 实时跟踪指令和数据的执行。
2.1 ARM架构的发展
ARM公司(Advanced RISC Machines Limited)正式成立于1990年。目前,ARM 架构处理器已在高性能、低功耗、低成 本的嵌入式应用领域占据领先地位，已 占有75%左右的市场。
ARM架构自诞生至今,已经发生了很 大的演变,至今已定义5种不同的版本：
·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。
4. V4版架构
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：
第二章 ARM体系结构
ARM公司是嵌入式RISC处理器的知 识产权IP供应商,它为ARM架构处理器提 供了ARM处理器内核(如ARM7TDMI、 ARM9TDMI、ARM10TDMI等)和ARM处 理器核(ARM710T/720T/740T、 ARM920T/922T/940T、ARM926E/966E 及ARM1020E等)。
·符号化和非符号化半字及符号化字节的存/取指令
·增加了16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
5. V5版架构 这是最近推出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：
小知识：RISC体系结构
传统的CISC（Complex Instruction Set Computer，复杂指令集计算机）结构越来越复 杂。在CISC指令集的各种指令中，其使用频率 却相差悬殊，大约有20％的指令会被反复使用， 占整个程序代码的80％。而余下的80％的指令 却不经常使用，在程序设计中只占20％，显然， 这种结构是不太合理的。
·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 ·增加了信号处理指令(V5TE版) ·为协处理器增加更多可选择的指令
2.2 ARM架构的特点
1. RISC(Reduced Instruction Set Computer) 型处 理器结构
• 尽量减少复杂功能指令 • 每条指令在单机器周期内执行 • 每条指令都是32bit，具有多种操作功能 • 访问存储空间指令采用LOAD/STORE结构 • 采用cache来提高存/取速度 • 多寄存器结构