ch基于ARM的處理器體系結(jié)構(gòu)PPT課件

1、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)例開發(fā)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)例開發(fā)第三章第三章 基于基于ARMARM的處理器體系結(jié)構(gòu)的處理器體系結(jié)構(gòu)第1頁/共55頁主要內(nèi)容 3.1 ARM體系結(jié)構(gòu) 3.1.1 ARM微處理器結(jié)構(gòu) 3.1.2 ARM工作狀態(tài) 3.1.3 ARM微處理器的寄存器組織 3.1.4 ARM微處理器的指令結(jié)構(gòu) 3.2 ARM9處理器簡(jiǎn)介 3.2.1 與ARM7處理器的比較 3.2.2 OMAP5912處理器簡(jiǎn)介 第2頁/共55頁ARM簡(jiǎn)介 ARM即Advanced RISC Machines的縮寫。 1985年4月26日，第一個(gè)ARM原型在英國劍橋的Acorn計(jì)算機(jī)有限公司誕生，由美國加州San Jos

2、e VLSI技術(shù)公司制造。 20世紀(jì)80年代后期，ARM很快開發(fā)成Acorn的臺(tái)式機(jī)產(chǎn)品，形成英國的計(jì)算機(jī)教育基礎(chǔ)。 1990年成立了Advanced RISC Machines Limited。第3頁/共55頁ARM簡(jiǎn)介 20世紀(jì)90年代，ARM32位嵌人式RISC（Reduced Instruction Set Computer）處理器擴(kuò)展到世界范圍，占據(jù)了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。 32位RISC處理器受到青睞，領(lǐng)先的是ARM嵌入式微處理器系列。 ARM公司雖然只成立10多年，但在1999年因移動(dòng)電話火爆市場(chǎng)，其32位RISC處理器占市場(chǎng)份額超過了50%，20

3、01年初，ARM公司的32位RISC處理器市場(chǎng)占有率超過了75%。第4頁/共55頁ARM簡(jiǎn)介 ARM公司是知識(shí)產(chǎn)權(quán)供應(yīng)商，是設(shè)計(jì)公司。由合作伙伴公司來生產(chǎn)各具特色的芯片。 ARM公司商業(yè)模式的強(qiáng)大之處在于其價(jià)格合理，全世界范圍有超過100個(gè)合作伙伴-包括半導(dǎo)體工業(yè)的著名公司。ARM公司專注于設(shè)計(jì)，其內(nèi)核耗電少、成本低、功能強(qiáng)，特有16/32位雙指令集。ARM已成為移動(dòng)通信、手持計(jì)算、多媒體數(shù)字消費(fèi)等嵌入式解決方案的RISC標(biāo)準(zhǔn)。第5頁/共55頁3.1 ARM體系結(jié)構(gòu) 3.1.1 ARM微處理器結(jié)構(gòu) 1. RISC設(shè)計(jì)思想 傳統(tǒng)的復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)（Complex Instruction Set

4、Computer，CISC）結(jié)構(gòu)有其固有的缺點(diǎn)，即隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而不斷引入新的復(fù)雜的指令集，為支持這些新增的指令，計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)會(huì)越來越復(fù)雜。第6頁/共55頁3.1.1 ARM微處理器結(jié)構(gòu) 1. RISC設(shè)計(jì)思想 1979年美國加州大學(xué)伯克利分校提出了RISC的概念。 RISC并非只是簡(jiǎn)單地去減少指令。RISC是一種設(shè)計(jì)思想，其目標(biāo)是設(shè)計(jì)出一套能在高時(shí)鐘頻率下單周期執(zhí)行、簡(jiǎn)單而有效的指令集。 RISC的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于降低由硬件執(zhí)行的指令的復(fù)雜度，因?yàn)檐浖扔布菀滋峁└蟮撵`活性和更高的智能。因此，RICS設(shè)計(jì)對(duì)編譯器有更高的要求。第7頁/共55頁3.1.1 ARM微處理器結(jié)構(gòu)CISC與

5、RISC的不同 第8頁/共55頁RISC和CISC之間的主要區(qū)別 指指 標(biāo)標(biāo)RISCCISC指令集指令集一個(gè)周期執(zhí)行一條指令，通過簡(jiǎn)一個(gè)周期執(zhí)行一條指令，通過簡(jiǎn)單指令的組合實(shí)現(xiàn)復(fù)雜操作；單指令的組合實(shí)現(xiàn)復(fù)雜操作；指令長度固定指令長度固定指令長度不固定，執(zhí)行需要指令長度不固定，執(zhí)行需要多個(gè)周期多個(gè)周期流水線流水線流水線每周期前進(jìn)一步流水線每周期前進(jìn)一步指令的執(zhí)行需要調(diào)用微代碼指令的執(zhí)行需要調(diào)用微代碼的一個(gè)微程序的一個(gè)微程序寄存器寄存器更多通用寄存器更多通用寄存器用于特定目的的專用寄存器用于特定目的的專用寄存器Load/Store結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)獨(dú)立的獨(dú)立的Load和和Store指令完成數(shù)指令完成數(shù)據(jù)在寄

6、存器和外部存儲(chǔ)器之據(jù)在寄存器和外部存儲(chǔ)器之間的傳輸間的傳輸處理器能夠直接處理存儲(chǔ)器處理器能夠直接處理存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)第9頁/共55頁RISC的4個(gè)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 （1）指令集 RISC處理器減少了指令種類。RISC的指令種類只提供簡(jiǎn)單的操作，使一個(gè)周期就可以執(zhí)行一條指令。編譯器或者程序員通過幾條簡(jiǎn)單指令的組合來實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜的操作（如除法操作）。 RISC采用定長指令集，每條指令的長度都是固定的，允許流水線在當(dāng)前指令譯碼階段去取其下一條指令；而在CISC處理器中，指令長度通常不固定，執(zhí)行也需要多個(gè)周期。 第10頁/共55頁RISC的4個(gè)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 （2）流水線 指令的處理過程被拆分成幾個(gè)更小的、能

7、夠被流水線并行執(zhí)行的單元。在理想情況下，流水線每周期前進(jìn)一步，可獲得最高的吞吐率；而CISC指令的執(zhí)行需要調(diào)用微代碼的一個(gè)微程序。第11頁/共55頁RISC的4個(gè)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 （3）寄存器 RISC處理器擁有更多的通用寄存器。每個(gè)寄存器都可存放數(shù)據(jù)或地址。寄存器可為所有的數(shù)據(jù)操作提供快速的局部存儲(chǔ)訪問；而CISC處理器都是用于特定目的的專用寄存器。 第12頁/共55頁RISC的4個(gè)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 （4）Load/Store結(jié)構(gòu) 處理器只處理寄存器中的數(shù)據(jù)。獨(dú)立的load和store指令用來完成數(shù)據(jù)在寄存器和外部存儲(chǔ)器之間的傳送。因?yàn)樵L問存儲(chǔ)器很耗時(shí)，所以把存儲(chǔ)器訪問和數(shù)據(jù)處理分開。這樣有一個(gè)好處，就是可

8、反復(fù)地使用保存在寄存器中的數(shù)據(jù)，而避免多次訪問存儲(chǔ)器，從而達(dá)到提高程序執(zhí)行性能的目的。 第13頁/共55頁3.1.1 ARM微處理器結(jié)構(gòu) 2. ARM設(shè)計(jì)思想 為了使ARM指令集能夠更好地滿足嵌入式應(yīng)用的需要，ARM指令集和單純的RISC定義有以下幾個(gè)方面的不同： 一些特定的指令周期數(shù)可變 內(nèi)嵌桶形移位器產(chǎn)生了更為復(fù)雜的指令 Thumb 16位指令集 條件執(zhí)行 第14頁/共55頁3.1.1 ARM微處理器結(jié)構(gòu) 3. ARM微處理器系列分類及ARM體系的變種 當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的ARM微處理器核有ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E產(chǎn)品系列，每個(gè)系列都提供了一套特定的性能來滿足設(shè)計(jì)者對(duì)功耗

9、、性能和體積的需求。 在ARM體系中增加的某些特定功能稱為ARM體系的某種變種（variant）。 第15頁/共55頁ARM體系的變種 （1）Thumb指令集（T變種） Thumb指令集是將ARM指令集的一個(gè)子集重新編碼而形成的一個(gè)指令集。ARM指令長度為32位，Thumb指令長度為16位。 與ARM指令集相比，Thumb指令集具有一定的局限性，即完成相同的操作，Thumb指令通常需要更多的指令。因此，在對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間要求苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合，ARM指令集更為適合。 Thumb指令集沒有包含進(jìn)行異常處理時(shí)需要的一些指令，所以在異常中斷的低級(jí)處理時(shí)，還是需要使用ARM指令。這種限制決定了Thumb指令

10、需要和ARM指令配合使用。第16頁/共55頁ARM體系的變種 （2）長乘法指令（M變種） M變種增加了兩條用于進(jìn)行長乘法操作的ARM指令：其中一條指令用于實(shí)現(xiàn)32位整數(shù)乘以32位整數(shù)，生成64位整數(shù)的長乘法操作，另一條指令用于實(shí)現(xiàn)32位整數(shù)乘以32位整數(shù)，然后再加上32位整數(shù)，生成64位整數(shù)的長乘加操作。 在需要這種長乘法的應(yīng)用場(chǎng)合，使用M變種比較合適。然而，在有些應(yīng)用場(chǎng)合中，乘法操作的性能并不重要，在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)就不適合增加M變種的功能。 第17頁/共55頁ARM體系的變種 （3）增強(qiáng)型DSP指令（E變種） E變種包含了一些附加的指令，這些指令用于增強(qiáng)處理器對(duì)一些典型DSP算法的處理性能，主要

11、包括：幾條新的實(shí)現(xiàn)16位數(shù)據(jù)乘法和乘加操作的指令，實(shí)現(xiàn)飽和的帶符號(hào)數(shù)的加減法操作的指令。 所謂飽和的帶符號(hào)數(shù)的加減法操作是在加減法操作溢出時(shí)，結(jié)果并不進(jìn)行卷繞（wrapping around），而是使用最大的正數(shù)或最小的負(fù)數(shù)來表示。進(jìn)行雙字?jǐn)?shù)據(jù)操作的指令，包括雙字讀取指令LDRD、雙字寫入指令STRD和協(xié)處理器的寄存器傳輸指令MCRR/MRRC、Cache預(yù)取指令PLD。 第18頁/共55頁ARM體系的變種 （4）Java加速器Jazelle（J變種） ARM的Jazelle技術(shù)將Java的優(yōu)勢(shì)和先進(jìn)的32位RISC芯片完美地結(jié)合在一起。Jazelle技術(shù)提供了Java加速功能，可以得到比普通

12、Java虛擬機(jī)高得多的性能。與普通的Java虛擬機(jī)相比，Jazelle使Java代碼運(yùn)行速度提高了3倍，而功耗降低了80%。 Jazelle技術(shù)使得程序員可以在一個(gè)單獨(dú)的處理器上同時(shí)運(yùn)行Java應(yīng)用程序、已經(jīng)建立好的操作系統(tǒng)、中間件以及其他應(yīng)用程序。與使用協(xié)處理器和雙處理器相比，使用單獨(dú)的處理器可以在提供高性能的同時(shí)，保證低功耗和低成本。 第19頁/共55頁ARM體系的變種 （5）ARM媒體功能擴(kuò)展（SIMD變種） ARM媒體功能擴(kuò)展為嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)提供了高性能的音頻/視頻處理技術(shù)。這就要求處理器能夠提供很強(qiáng)的數(shù)字信號(hào)處理能力，同時(shí)還必須保持低功耗，以延長電池的使用時(shí)間。ARM的SIMD媒體功

13、能擴(kuò)展為這些應(yīng)用需求提供了解決方案。 SIMD變種的主要特點(diǎn)是：可以同時(shí)進(jìn)行兩個(gè)16位操作數(shù)或者4個(gè)8位操作數(shù)的運(yùn)算，提供了小數(shù)算術(shù)運(yùn)算，用戶可以定義飽和運(yùn)算的模式，兩套16位操作數(shù)的乘加/乘減運(yùn)算，32位乘以32位的小數(shù)MAC，同時(shí)8位/16位選擇操作。 第20頁/共55頁3.1.1 ARM微處理器結(jié)構(gòu) 4. ARM體系結(jié)構(gòu)的命名規(guī)則ARM產(chǎn)品通常以ARMxyzTDMIEJF-S形式出現(xiàn)。 后綴后綴變量變量含含 義義x系統(tǒng)，如系統(tǒng)，如ARM7、ARM9y存儲(chǔ)管理存儲(chǔ)管理/保護(hù)單元保護(hù)單元zCacheTThumb16位譯碼器（位譯碼器（T變種）變種）DJTAG調(diào)試器調(diào)試器M長乘法指令（長乘法指

14、令（M變種）變種）I嵌入式跟蹤宏單元嵌入式跟蹤宏單元E增強(qiáng)型增強(qiáng)型DSP指令（指令（E變種）變種）JJava加速器加速器Jazelle（J變種）變種）F向量浮點(diǎn)單元向量浮點(diǎn)單元S可綜合版本可綜合版本第21頁/共55頁ARM體系結(jié)構(gòu)命名規(guī)則附加要點(diǎn) ARM7TDMI之后的所有ARM內(nèi)核，即使“ARM”標(biāo)志后沒有包含“TDMI”字符，也都默認(rèn)包含了TDMI的功能特性； JTAG是由標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試訪問端口和邊界掃描結(jié)構(gòu)來描述的，是ARM用來發(fā)送和接收處理器內(nèi)核與測(cè)試儀器之間調(diào)試信息的一系列協(xié)議； 嵌入式ICE宏單元是建立在處理器內(nèi)部用來設(shè)置斷點(diǎn)和觀察點(diǎn)的調(diào)試硬件； 可綜合，意味著處理器內(nèi)核是以源代碼形式提

15、供的。這種源代碼形式可被編譯成一種易于EDA工具使用的形式。第22頁/共55頁3.1.1 ARM微處理器結(jié)構(gòu) 5. ARM微處理器系列 ARM微處理器目前包括下面幾個(gè)系列，以及其它廠商基于ARM體系結(jié)構(gòu)的處理器，除了具有ARM體系結(jié)構(gòu)的共同特點(diǎn)以外，每一個(gè)系列的ARM微處理器都有各自的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。 ARM7系列 ARM9系列 ARM9E系列 ARM10E系列 ARM11系列 SecurCore系列 Inter的Xscale Inter的StrongARM 第23頁/共55頁ARM微處理器系列 （1）ARM7微處理器系列 ARM7內(nèi)核采用馮諾伊曼體系結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)和指令使用同一條總線。內(nèi)核有一條

16、3級(jí)流水線，執(zhí)行ARMv4指令集。 ARM7系列微處理器主要用于對(duì)功耗和成本要求比較苛刻的消費(fèi)類產(chǎn)品。其最高主頻可達(dá)130MIPS。 ARM7系列微處理器的主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)椋汗I(yè)控制、Internet設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和調(diào)制解調(diào)器設(shè)備、移動(dòng)電話等多種多媒體和嵌入式應(yīng)用。 第24頁/共55頁ARM微處理器系列 ARM7微處理器系列具有如下特點(diǎn)： 具有嵌入式ICERT邏輯，調(diào)試開發(fā)方便； 極低的功耗，適合對(duì)功耗要求較高的應(yīng)用； 能夠提供的三級(jí)流水線結(jié)構(gòu)； 代碼密度高并兼容16位的Thumb指令集； 對(duì)操作系統(tǒng)的支持廣泛，包括Windows CE、Linux、Palm OS等； 指令系統(tǒng)與ARM9系列、ARM

17、9E系列和ARM10E系列兼容，便于用戶的產(chǎn)品升級(jí)換代； 主頻最高可達(dá)130MIPS，高速的運(yùn)算處理能力能勝任絕大多數(shù)的復(fù)雜應(yīng)用。第25頁/共55頁ARM微處理器系列 （2）ARM9微處理器系列 ARM9系列采用5級(jí)指令流水線，能夠運(yùn)行在比ARM7更高的時(shí)鐘頻率上，改善了處理器的整體性能。ARM9的存儲(chǔ)器系統(tǒng)根據(jù)哈佛體系結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)，區(qū)分了數(shù)據(jù)總線和指令總線。 ARM9系列的第一個(gè)處理器是ARM920T，包含獨(dú)立的數(shù)據(jù)指令Cache和MMU。該處理器能夠被用在要求有虛擬存儲(chǔ)器支持的操作系統(tǒng)上。 ARM9系列微處理器主要應(yīng)用于無線設(shè)備、儀器儀表、安全系統(tǒng)、機(jī)頂盒、高端打印機(jī)、數(shù)字照相機(jī)和數(shù)字?jǐn)z像

18、機(jī)等。 第26頁/共55頁ARM微處理器系列 （3）ARM9E微處理器系列 ARM9E系列微處理器是ARM9內(nèi)核帶有E變種的一個(gè)可綜合版本，使用單一的處理器內(nèi)核提供了微控制器、DSP、Java應(yīng)用系統(tǒng)的解決方案，極大地減少了芯片的面積和系統(tǒng)的復(fù)雜程度。ARM9E系列微處理器提供了增強(qiáng)的DSP處理能力，很適合于那些需要同時(shí)使用DSP和微控制器的應(yīng)用場(chǎng)合。 ARM9E系列微處理器包含ARM926EJ-S、ARM946E-S和ARM966E-S三種類型。 第27頁/共55頁ARM微處理器系列 （4）ARM10E微處理器系列 ARM10E系列微處理器具有高性能、低功耗的特點(diǎn)，由于采用了新的體系結(jié)構(gòu)，采

19、用6級(jí)整數(shù)流水線，與同等的ARM9器件相比較，在同樣的時(shí)鐘頻率下，性能提高了近50。同時(shí)，ARM10E系列微處理器采用了兩種先進(jìn)的節(jié)能方式，使其功耗極低，且提供了64位的Load/Store體系，支持包括向量操作的、滿足IEEE 754的浮點(diǎn)運(yùn)算協(xié)處理器，系統(tǒng)集成更加方便。第28頁/共55頁ARM微處理器系列 （5）ARM11微處理器系列 ARM1136J-S發(fā)布于2003年，是針對(duì)高性能和高能效應(yīng)而設(shè)計(jì)的。ARM1136J-S是第一個(gè)執(zhí)行ARMv6架構(gòu)指令的處理器。它集成了一條具有獨(dú)立的Load/Store和算術(shù)流水線的8級(jí)流水線。ARMv6指令包含了針對(duì)媒體處理的單指令流多數(shù)據(jù)流擴(kuò)展，采用

20、特殊的設(shè)計(jì)改善視頻處理能力。 第29頁/共55頁ARM微處理器系列 （6）SecurCore微處理器系列SecurCore系列微處理器專為安全需要而設(shè)計(jì)，提供了完善的32位RISC技術(shù)的安全解決方案，SecurCore系列微處理器除了具有ARM體系結(jié)構(gòu)的低功耗、高性能的特點(diǎn)外，還具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，即提供了對(duì)安全解決方案的支持。SecurCore系列微處理器除了具有ARM體系結(jié)構(gòu)各種主要特點(diǎn)外，還在系統(tǒng)安全方面具有如下的特點(diǎn)： 帶有靈活的保護(hù)單元，以確保操作系統(tǒng)和應(yīng)用數(shù)據(jù)的安全。 采用軟內(nèi)核技術(shù)，防止外部對(duì)其進(jìn)行掃描探測(cè)。 可集成用戶自己的安全特性和其他協(xié)處理器。 第30頁/共55頁ARM微處理

21、器系列 （7）StrongARM微處理器系列 Intel StrongARM SA-1100處理器是采用ARM體系結(jié)構(gòu)高度集成的32位RISC微處理器。它融合了Inter公司的設(shè)計(jì)和處理技術(shù)以及ARM體系結(jié)構(gòu)的電源效率，采用在軟件上兼容ARMv4體系結(jié)構(gòu)、同時(shí)采用具有Intel技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的體系結(jié)構(gòu)。 Intel StrongARM處理器是便攜式通訊產(chǎn)品和消費(fèi)類電子產(chǎn)品的理想選擇，已成功應(yīng)用于多家公司的掌上電腦系列產(chǎn)品。 第31頁/共55頁ARM微處理器系列 （8）Xscale處理器 Xscale處理器是基于ARMv5TE體系結(jié)構(gòu)的解決方案，是一款全性能、高性價(jià)比、低功耗的處理器。它支持16位的T

22、humb指令和DSP指令集，已使用在數(shù)字移動(dòng)電話、個(gè)人數(shù)字助理和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品等場(chǎng)合。 Xscale處理器是Intel目前主要推廣的一款A(yù)RM微處理器。 第32頁/共55頁3.1 ARM體系結(jié)構(gòu) 3.1.2 ARM工作狀態(tài)從編程的角度看，ARM微處理器的工作狀態(tài)一般有兩種，并可在兩種狀態(tài)之間切換：第一種為ARM狀態(tài)，此時(shí)處理器執(zhí)行32位的、字對(duì)齊的ARM指令；第二種為Thumb狀態(tài)，此時(shí)處理器執(zhí)行16位的、半字對(duì)齊的Thumb指令。第33頁/共55頁3.1 ARM體系結(jié)構(gòu) 3.1.3 ARM微處理器的寄存器組織ARM處理器共有37個(gè)寄存器，被分為若干個(gè)組（BANK），這些寄存器包括：31個(gè)通用寄存器

23、，包括程序計(jì)數(shù)器（PC指針），均為32位的寄存器。6個(gè)狀態(tài)寄存器，用以標(biāo)識(shí)CPU的工作狀態(tài)及程序的運(yùn)行狀態(tài)，均為32位，目前只使用了其中的一部分。第34頁/共55頁3.1 ARM體系結(jié)構(gòu) 3.1.4 ARM微處理器的指令結(jié)構(gòu) ARM微處理器在較新的體系結(jié)構(gòu)中支持兩種指令集：ARM指令集和Thumb指令集。其中，ARM指令為32位的長度，Thumb指令為16位長度。 Thumb指令集為ARM指令集的功能子集，但與等價(jià)的ARM代碼相比較，可節(jié)省30%40%以上的存儲(chǔ)空間，同時(shí)具備32位代碼的所有優(yōu)點(diǎn)。 第35頁/共55頁主要內(nèi)容 3.1 ARM體系結(jié)構(gòu) 3.1.1 ARM微處理器結(jié)構(gòu) 3.1.2

24、ARM工作狀態(tài) 3.1.3 ARM微處理器的寄存器組織 3.1.4 ARM微處理器的指令結(jié)構(gòu) 3.2 ARM9處理器簡(jiǎn)介 3.2.1 與ARM7處理器的比較 3.2.2 OMAP5912處理器簡(jiǎn)介第36頁/共55頁3.2 ARM9處理器簡(jiǎn)介 ARM9系列處理器是ARM公司設(shè)計(jì)的主流嵌入式處理器，主要包括ARM9TDMI和ARM9E-S等系列。 以手機(jī)應(yīng)用為例，2G手機(jī)只需提供語音及簡(jiǎn)單的文字短信功能，而和3G手機(jī)除了提供這兩項(xiàng)功能外，還必須提供各種其他的應(yīng)用功能。主要包括： （1）無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：手機(jī)上網(wǎng)、電子郵件及其他定位服務(wù)等功能； （2）PDA功能：含有用戶操作系統(tǒng)（Windows CE、

25、Symbian OS、Linux等）及其他功能； （3）高性能功能：音頻播放器、視頻電話、手機(jī)游戲等。 第37頁/共55頁3.2 ARM9處理器簡(jiǎn)介 3.2.1 與ARM7處理器比較 ARM7提供了非常好的性能功耗比，它包含了Thumb指令集快速乘法指令和ICE調(diào)試技術(shù)的內(nèi)核。 ARM9處理器通過全新的設(shè)計(jì)，采用了更多的晶體管，能夠達(dá)到兩倍以上于ARM7處理器的處理能力。 ARM7內(nèi)核是的三級(jí)流水線和馮諾伊曼結(jié)構(gòu)，而ARM9內(nèi)核是5級(jí)流水線，提供的哈佛結(jié)構(gòu)。 第38頁/共55頁3.2.1 與ARM7處理器比較 1. 體系結(jié)構(gòu)不同 ARM7內(nèi)核采用馮諾伊曼體系結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)和指令使用同一條總線。AR

26、M9內(nèi)核根據(jù)哈佛體系結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)，區(qū)分了數(shù)據(jù)總線和指令總線。 （1）馮諾伊曼結(jié)構(gòu) 第39頁/共55頁3.2.1 與ARM7處理器比較 1. 體系結(jié)構(gòu)不同 （2）哈佛結(jié)構(gòu) 哈佛結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是使用兩個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)器模塊，分別存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù)。第40頁/共55頁3.2.1 與ARM7處理器比較 在典型情況下，完成一條指令需要3個(gè)步驟，即：取指令、指令譯碼和執(zhí)行指令。 馮諾伊曼結(jié)構(gòu)處理器指令流的定時(shí)關(guān)系示意圖 第41頁/共55頁3.2.1 與ARM7處理器比較 如果采用哈佛結(jié)構(gòu)處理以上同樣的3條存取數(shù)指令，由于取指令和存取數(shù)據(jù)分別經(jīng)由不同的存儲(chǔ)空間和不同的總線，使得各條指令可以重疊執(zhí)行，這樣，也就克服了數(shù)據(jù)

27、流傳輸?shù)钠款i，提高了運(yùn)算速度。 哈佛結(jié)構(gòu)處理器指令流的定時(shí)關(guān)系示意圖 第42頁/共55頁3.2.1 與ARM7處理器比較 2. 時(shí)鐘頻率的提高 ARM7處理器采用3級(jí)流水線，在執(zhí)行級(jí)完成了多個(gè)操作，包括從寄存器讀取操作數(shù)，傳給移位寄存器，傳給算術(shù)邏輯單元ALU，把運(yùn)算結(jié)果寫回寄存器。 ARM7TDMI和ARM7TDMI-S流水線 第43頁/共55頁3.2.1 與ARM7處理器比較 2. 時(shí)鐘頻率的提高 ARM9采用5級(jí)流水線，ARM9TDMI和ARM9E-S兩種設(shè)計(jì)基本一樣，除了ARM9E-S內(nèi)核實(shí)現(xiàn)了一個(gè)更復(fù)雜的乘加單元，以支持ARMv5TE架構(gòu)新引入的DSP增強(qiáng)指令集。采用哈佛架構(gòu)避免了數(shù)

28、據(jù)訪問和取指令對(duì)單總線的使用沖突。 ARM9TDMI流水線 第44頁/共55頁3.2.1 與ARM7處理器比較 3. 指令周期的改進(jìn)（1）存儲(chǔ)器讀寫指令Load/Store導(dǎo)致Load/Store指令時(shí)鐘數(shù)目減少的兩個(gè)微處理器架構(gòu)設(shè)計(jì)上的根本差別： ARM9內(nèi)核采用哈佛架構(gòu)，有獨(dú)立的指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口，允許CPU在取指令的同時(shí)讀寫數(shù)據(jù)。而ARM7內(nèi)核則只有一個(gè)存儲(chǔ)器接口，取指令或數(shù)據(jù)訪問都得經(jīng)由此接口。 ARM9內(nèi)核的5級(jí)流水線設(shè)計(jì)引入了獨(dú)立的“存儲(chǔ)器（Memory）”和“寫回（Write Back）”兩級(jí)流水線，分別用于存儲(chǔ)器讀寫和把結(jié)果寫回寄存器組。第45頁/共55頁3.2.1 與ARM

29、7處理器比較 3. 指令周期的改進(jìn) （2）互鎖技術(shù)（interlocks） 當(dāng)某一條指令需要的源數(shù)據(jù)由于前面的指令仍未執(zhí)行完而不可用時(shí)，流水線就會(huì)發(fā)生互鎖。 互鎖發(fā)生時(shí)，在硬件上將暫停該指令的執(zhí)行，直到需要的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好為止。有了互鎖機(jī)制，ARM9得以與以前ARM處理器保持二進(jìn)制代碼級(jí)別的兼容。 在許多情況下，編譯器或者代碼編寫者可以通過改變指令的順序或者別的一些技巧來減少互鎖周期數(shù)。 第46頁/共55頁3.2.1 與ARM7處理器比較 3. 指令周期的改進(jìn)（3）分支指令A(yù)RM9和ARM7的分支指令周期是相同的。ARM9TDMI和ARM9E-S不支持分支預(yù)測(cè)。在這些處理器上，跳轉(zhuǎn)的開銷相對(duì)不那么

30、重要。實(shí)現(xiàn)分支預(yù)測(cè)增加了邏輯開銷，導(dǎo)致芯片尺寸增大，卻不會(huì)帶來顯著的性能提升。 分支指令分支指令A(yù)RM7TDMI和和ARM7TDMI-SARM9TDMI和和ARM9E-SBranch Taken（passes its condition code check）33Branch Taken（fails its condition code check）11第47頁/共55頁3.2 ARM9處理器簡(jiǎn)介 3.2.2 OMAP5912處理器介紹 1. 開放式多媒體應(yīng)用平臺(tái)OMAP TI于1999年5月推出OMAP架構(gòu)，OMAP處理器家族目前主要有三大系列。OMAP平臺(tái)具有可擴(kuò)展、靈活而開放的構(gòu)架，長期以來一直以最佳性能和極低功耗而著稱。使用該平臺(tái)設(shè)計(jì)的和3G手機(jī)可以實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用，如語言處理、視頻流、電視會(huì)議、高保真音頻、定位服務(wù)、安全性、游戲、移動(dòng)商務(wù)、個(gè)人管理等多媒體應(yīng)用。 第48頁/共55頁OMAP處理器家族第49頁/共55頁3.2 ARM9處理器簡(jiǎn)介 3.2.2 OMAP5912處理器介紹 2. OMAP5912處理器 OMAP5912處理器是OMAP1510系列的一個(gè)分支，是由TI應(yīng)