基于ARM的處理器體系結(jié)構(gòu)

1、嵌入式系統(tǒng)設計與實例開發(fā)嵌入式系統(tǒng)設計與實例開發(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)主要內(nèi)容 3.1 ARM體系結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)3.1.1 ARM微處理器結(jié)構(gòu)微處理器結(jié)構(gòu)3.1.2 ARM工作狀態(tài)工作狀態(tài)3.1.3 ARM微處理器的寄存器組織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)微處理器的指令結(jié)構(gòu) 3.2 ARM9處理器簡介處理器簡介3.2.1 與與ARM7處理器的比較處理器的比較3.2.2 OMAP5912處理器簡介處理器簡介 ARM簡介 ARM即即Advanced RISC Machines的縮寫。的縮寫。 19851985年年4 4月月2626

2、日，第一個日，第一個ARM原型在英國劍原型在英國劍橋的橋的AcornAcorn計算機有限公司誕生，由美國加州計算機有限公司誕生，由美國加州San Jose VLSI技術公司制造。技術公司制造。 2020世紀世紀8080年代后期，年代后期，ARM很快開發(fā)成很快開發(fā)成Acorn的臺式機產(chǎn)品，形成英國的計算機教育基礎。的臺式機產(chǎn)品，形成英國的計算機教育基礎。 19901990年成立了年成立了Advanced RISC Machines Limited。ARM簡介 2020世紀世紀9090年代，年代，ARM32位嵌人式位嵌人式RISC（Reduced Instruction Set Computer）

3、處理器處理器擴展到世界范圍，占據(jù)了低功耗、低成本和高性擴展到世界范圍，占據(jù)了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系統(tǒng)應用領域的領先地位。能的嵌入式系統(tǒng)應用領域的領先地位。 3232位位RISC處理器受到青睞，領先的是處理器受到青睞，領先的是ARMARM嵌入式嵌入式微處理器系列。微處理器系列。 ARM公司雖然只成立公司雖然只成立1010多年，但在多年，但在19991999年因移動年因移動電話火爆市場，其電話火爆市場，其3232位位RISC處理器占市場份額超處理器占市場份額超過了過了50%50%，20012001年初，年初，ARM公司的公司的3232位位RISC處理處理器市場占有率超過了器市場占有率超過

4、了75%75%。ARM簡介 ARMARM公司是知識產(chǎn)權供應商，是設計公司。公司是知識產(chǎn)權供應商，是設計公司。由合作伙伴公司來生產(chǎn)各具特色的芯片。由合作伙伴公司來生產(chǎn)各具特色的芯片。 ARM公司商業(yè)模式的強大之處在于其價格公司商業(yè)模式的強大之處在于其價格合理，全世界范圍有超過合理，全世界范圍有超過100100個合作伙伴個合作伙伴-包括半導體工業(yè)的著名公司。包括半導體工業(yè)的著名公司。ARM公司專公司專注于設計，其內(nèi)核耗電少、成本低、功能注于設計，其內(nèi)核耗電少、成本低、功能強，特有強，特有16/3216/32位雙指令集。位雙指令集。ARMARM已成為移已成為移動通信、手持計算、多媒體數(shù)字消費等嵌動通

5、信、手持計算、多媒體數(shù)字消費等嵌入式解決方案的入式解決方案的RISC標準。標準。3.1 ARM體系結(jié)構(gòu) 3.1.1 ARM微處理器結(jié)構(gòu)微處理器結(jié)構(gòu) 1. RISC設計思想設計思想傳統(tǒng)的復雜指令集計算機（傳統(tǒng)的復雜指令集計算機（Complex Instruction Set Computer，CISC）結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu)有其固有的缺點，即隨著計算機技術的有其固有的缺點，即隨著計算機技術的發(fā)展而不斷引入新的復雜的指令集，為發(fā)展而不斷引入新的復雜的指令集，為支持這些新增的指令，計算機的體系結(jié)支持這些新增的指令，計算機的體系結(jié)構(gòu)會越來越復雜。構(gòu)會越來越復雜。3.1.1 ARM微處理器結(jié)構(gòu) 1. RISC設計思

6、想設計思想1979年美國加州大學伯克利分校提出了年美國加州大學伯克利分校提出了RISC的概的概念。念。RISC并非只是簡單地去減少指令。并非只是簡單地去減少指令。RISC是一種是一種設計思想，其目標是設計出一套能在高時鐘頻設計思想，其目標是設計出一套能在高時鐘頻率下單周期執(zhí)行、簡單而有效的指令集。率下單周期執(zhí)行、簡單而有效的指令集。RISC的設計重點在于降低由硬件執(zhí)行的指令的復的設計重點在于降低由硬件執(zhí)行的指令的復雜度，因為軟件比硬件容易提供更大的靈活性雜度，因為軟件比硬件容易提供更大的靈活性和更高的智能。因此，和更高的智能。因此，RICS設計對編譯器有更設計對編譯器有更高的要求。高的要求。3

7、.1.1 ARM微處理器結(jié)構(gòu)CISC與與RISC的不同的不同 RISC和CISC之間的主要區(qū)別 指指 標標RISCCISC指令集指令集一個周期執(zhí)行一條指令，通過簡一個周期執(zhí)行一條指令，通過簡單指令的組合實現(xiàn)復雜操作；單指令的組合實現(xiàn)復雜操作；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)行需要多個周期多個周期流水線流水線流水線每周期前進一步流水線每周期前進一步指令的執(zhí)行需要調(diào)用微代碼指令的執(zhí)行需要調(diào)用微代碼的一個微程序的一個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)獨立的獨立的Load和和Sto

8、re指令完成數(shù)指令完成數(shù)據(jù)在寄存器和外部存儲器之據(jù)在寄存器和外部存儲器之間的傳輸間的傳輸處理器能夠直接處理存儲器處理器能夠直接處理存儲器中的數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)RISC的4個設計準則 （1）指令集）指令集 RISC處理器減少了指令種類。處理器減少了指令種類。RISC的指令種類的指令種類只提供簡單的操作，使一個周期就可以執(zhí)行一只提供簡單的操作，使一個周期就可以執(zhí)行一條指令。編譯器或者程序員通過幾條簡單指令條指令。編譯器或者程序員通過幾條簡單指令的組合來實現(xiàn)一個復雜的操作（如除法操作）。的組合來實現(xiàn)一個復雜的操作（如除法操作）。RISC采用定長指令集，每條指令的長度都是固采用定長指令集，每條指令的長度都是

9、固定的，允許流水線在當前指令譯碼階段去取其定的，允許流水線在當前指令譯碼階段去取其下一條指令；而在下一條指令；而在CISC處理器中，指令長度通處理器中，指令長度通常不固定，執(zhí)行也需要多個周期。常不固定，執(zhí)行也需要多個周期。 RISC的4個設計準則 （2）流水線）流水線指令的處理過程被拆分成幾個更小的、能夠被流指令的處理過程被拆分成幾個更小的、能夠被流水線并行執(zhí)行的單元。在理想情況下，流水線水線并行執(zhí)行的單元。在理想情況下，流水線每周期前進一步，可獲得最高的吞吐率；而每周期前進一步，可獲得最高的吞吐率；而CISC指令的執(zhí)行需要調(diào)用微代碼的一個微程序。指令的執(zhí)行需要調(diào)用微代碼的一個微程序。RISC

10、的4個設計準則 （3）寄存器）寄存器RISC處理器擁有更多的通用寄存器。每個寄存處理器擁有更多的通用寄存器。每個寄存器都可存放數(shù)據(jù)或地址。寄存器可為所有的數(shù)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訪問；而據(jù)操作提供快速的局部存儲訪問；而CISC處理處理器都是用于特定目的的專用寄存器。器都是用于特定目的的專用寄存器。 RISC的4個設計準則 （4）Load/Store結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)處理器只處理寄存器中的數(shù)據(jù)。獨立的處理器只處理寄存器中的數(shù)據(jù)。獨立的load和和store指令用來完成數(shù)據(jù)在寄存器和外部存儲器指令用來完成數(shù)據(jù)在寄存器和外部存儲器之間的傳送。因為訪問存儲器很耗時，所以

11、把之間的傳送。因為訪問存儲器很耗時，所以把存儲器訪問和數(shù)據(jù)處理分開。這樣有一個好處，存儲器訪問和數(shù)據(jù)處理分開。這樣有一個好處，就是可反復地使用保存在寄存器中的數(shù)據(jù)，而就是可反復地使用保存在寄存器中的數(shù)據(jù)，而避免多次訪問存儲器，從而達到提高程序執(zhí)行避免多次訪問存儲器，從而達到提高程序執(zhí)行性能的目的。性能的目的。 3.1.1 ARM微處理器結(jié)構(gòu) 2. ARM設計思想設計思想 為了使為了使ARM指令集能夠更好地滿足嵌入式指令集能夠更好地滿足嵌入式應用的需要，應用的需要，ARM指令集和單純的指令集和單純的RISC定義有以下幾個方面的不同：定義有以下幾個方面的不同： 一些特定的指令周期數(shù)可變一些特定的指

12、令周期數(shù)可變 內(nèi)嵌桶形移位器產(chǎn)生了更為復雜的指令內(nèi)嵌桶形移位器產(chǎn)生了更為復雜的指令 Thumb 16位指令集位指令集 條件執(zhí)行條件執(zhí)行 3.1.1 ARM微處理器結(jié)構(gòu) 3. ARM微處理器系列分類及微處理器系列分類及ARM體系的變種體系的變種當前應用較為廣泛的當前應用較為廣泛的ARM微處理器核有微處理器核有ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E產(chǎn)品系列，每個產(chǎn)品系列，每個系列都提供了一套特定的性能來滿足設計者系列都提供了一套特定的性能來滿足設計者對功耗、性能和體積的需求。對功耗、性能和體積的需求。在在ARM體系中增加的某些特定功能稱為體系中增加的某些特定功能稱為ARM體系的某種變種（體系

13、的某種變種（variant）。）。 ARM體系的變種 （1）Thumb指令集（指令集（T變種）變種）Thumb指令集是將指令集是將ARM指令集的一個子集重新編碼而形指令集的一個子集重新編碼而形成的一個指令集。成的一個指令集。ARM指令長度為指令長度為32位，位，Thumb指令指令長度為長度為16位。位。與與ARM指令集相比，指令集相比，Thumb指令集具有一定的局限性，指令集具有一定的局限性，即完成相同的操作，即完成相同的操作，Thumb指令通常需要更多的指令。指令通常需要更多的指令。因此，在對系統(tǒng)運行時間要求苛刻的應用場合，因此，在對系統(tǒng)運行時間要求苛刻的應用場合，ARM指令集更為適合。指令

14、集更為適合。Thumb指令集沒有包含進行異常處理時需要的一些指令，指令集沒有包含進行異常處理時需要的一些指令，所以在異常中斷的低級處理時，還是需要使用所以在異常中斷的低級處理時，還是需要使用ARM指指令。這種限制決定了令。這種限制決定了Thumb指令需要和指令需要和ARM指令配合指令配合使用。使用。ARM體系的變種 （2）長乘法指令（）長乘法指令（M變種）變種）M變種增加了兩條用于進行長乘法操作的變種增加了兩條用于進行長乘法操作的ARM指令：其指令：其中一條指令用于實現(xiàn)中一條指令用于實現(xiàn)32位整數(shù)乘以位整數(shù)乘以32位整數(shù)，生成位整數(shù)，生成64位整數(shù)的長乘法操作，另一條指令用于實現(xiàn)位整數(shù)的長乘法

15、操作，另一條指令用于實現(xiàn)32位整數(shù)位整數(shù)乘以乘以32位整數(shù)，然后再加上位整數(shù)，然后再加上32位整數(shù)，生成位整數(shù)，生成64位整數(shù)位整數(shù)的長乘加操作。的長乘加操作。在需要這種長乘法的應用場合，使用在需要這種長乘法的應用場合，使用M變種比較合適。變種比較合適。然而，在有些應用場合中，乘法操作的性能并不重要，然而，在有些應用場合中，乘法操作的性能并不重要，在系統(tǒng)實現(xiàn)時就不適合增加在系統(tǒng)實現(xiàn)時就不適合增加M變種的功能。變種的功能。 ARM體系的變種 （3）增強型）增強型DSP指令（指令（E變種）變種）E變種包含了一些附加的指令，這些指令用于增強處理器變種包含了一些附加的指令，這些指令用于增強處理器對一些

16、典型對一些典型DSP算法的處理性能，主要包括：幾條新算法的處理性能，主要包括：幾條新的實現(xiàn)的實現(xiàn)16位數(shù)據(jù)乘法和乘加操作的指令，實現(xiàn)飽和的位數(shù)據(jù)乘法和乘加操作的指令，實現(xiàn)飽和的帶符號數(shù)的加減法操作的指令。帶符號數(shù)的加減法操作的指令。所謂飽和的帶符號數(shù)的加減法操作是在加減法操作溢出所謂飽和的帶符號數(shù)的加減法操作是在加減法操作溢出時，結(jié)果并不進行卷繞（時，結(jié)果并不進行卷繞（wrapping around），而是使），而是使用最大的正數(shù)或最小的負數(shù)來表示。進行雙字數(shù)據(jù)操用最大的正數(shù)或最小的負數(shù)來表示。進行雙字數(shù)據(jù)操作的指令，包括雙字讀取指令作的指令，包括雙字讀取指令LDRD、雙字寫入指令、雙字寫入指

17、令STRD和協(xié)處理器的寄存器傳輸指令和協(xié)處理器的寄存器傳輸指令MCRR/MRRC、Cache預取指令預取指令PLD。 ARM體系的變種 （4）Java加速器加速器Jazelle（J變種）變種）ARM的的Jazelle技術將技術將Java的優(yōu)勢和先進的的優(yōu)勢和先進的32位位RISC芯片芯片完美地結(jié)合在一起。完美地結(jié)合在一起。Jazelle技術提供了技術提供了Java加速功能，加速功能，可以得到比普通可以得到比普通Java虛擬機高得多的性能。與普通的虛擬機高得多的性能。與普通的Java虛擬機相比，虛擬機相比，Jazelle使使Java代碼運行速度提高了代碼運行速度提高了3倍，而功耗降低了倍，而功耗

18、降低了80%。Jazelle技術使得程序員可以在一個單獨的處理器上同時技術使得程序員可以在一個單獨的處理器上同時運行運行Java應用程序、已經(jīng)建立好的操作系統(tǒng)、中間件應用程序、已經(jīng)建立好的操作系統(tǒng)、中間件以及其他應用程序。與使用協(xié)處理器和雙處理器相比，以及其他應用程序。與使用協(xié)處理器和雙處理器相比，使用單獨的處理器可以在提供高性能的同時，保證低使用單獨的處理器可以在提供高性能的同時，保證低功耗和低成本。功耗和低成本。 ARM體系的變種 （5）ARM媒體功能擴展（媒體功能擴展（SIMD變種）變種）ARM媒體功能擴展為嵌入式應用系統(tǒng)提供了高性能的音媒體功能擴展為嵌入式應用系統(tǒng)提供了高性能的音頻頻/

19、視頻處理技術。這就要求處理器能夠提供很強的數(shù)視頻處理技術。這就要求處理器能夠提供很強的數(shù)字信號處理能力，同時還必須保持低功耗，以延長電字信號處理能力，同時還必須保持低功耗，以延長電池的使用時間。池的使用時間。ARM的的SIMD媒體功能擴展為這些應媒體功能擴展為這些應用需求提供了解決方案。用需求提供了解決方案。 SIMD變種的主要特點是：可以同時進行兩個變種的主要特點是：可以同時進行兩個16位操作數(shù)位操作數(shù)或者或者4個個8位操作數(shù)的運算，提供了小數(shù)算術運算，用位操作數(shù)的運算，提供了小數(shù)算術運算，用戶可以定義飽和運算的模式，兩套戶可以定義飽和運算的模式，兩套16位操作數(shù)的乘加位操作數(shù)的乘加/乘減運

20、算，乘減運算，32位乘以位乘以32位的小數(shù)位的小數(shù)MAC，同時，同時8位位/16位位選擇操作。選擇操作。 3.1.1 ARM微處理器結(jié)構(gòu) 4. ARM體系結(jié)構(gòu)的體系結(jié)構(gòu)的命名規(guī)則命名規(guī)則ARM產(chǎn)品通常以產(chǎn)品通常以ARMxyzTDMIEJF-S形式出現(xiàn)。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存儲管理存儲管理/保護單元保護單元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增強型增強型DSP指令（指令（E變種）變種）JJava加速器加速器Jazell

21、e（J變種）變種）F向量浮點單元向量浮點單元S可綜合版本可綜合版本ARM體系結(jié)構(gòu)命名規(guī)則附加要點 ARM7TDMI之后的所有之后的所有ARM內(nèi)核，即使內(nèi)核，即使“ARM”標志后沒有包含標志后沒有包含“TDMI”字符，也都默認包含了字符，也都默認包含了TDMI的功能特性；的功能特性； JTAG是由是由IEEE 1149.1標準測試訪問端口和邊界標準測試訪問端口和邊界掃描結(jié)構(gòu)來描述的，是掃描結(jié)構(gòu)來描述的，是ARM用來發(fā)送和接收處理用來發(fā)送和接收處理器內(nèi)核與測試儀器之間調(diào)試信息的一系列協(xié)議；器內(nèi)核與測試儀器之間調(diào)試信息的一系列協(xié)議； 嵌入式嵌入式ICE宏單元是建立在處理器內(nèi)部用來設置宏單元是建立在處

22、理器內(nèi)部用來設置斷點和觀察點的調(diào)試硬件；斷點和觀察點的調(diào)試硬件； 可綜合，意味著處理器內(nèi)核是以源代碼形式提供可綜合，意味著處理器內(nèi)核是以源代碼形式提供的。這種源代碼形式可被編譯成一種易于的。這種源代碼形式可被編譯成一種易于EDA工工具使用的形式。具使用的形式。3.1.1 ARM微處理器結(jié)構(gòu) 5. ARM微處理器系列微處理器系列ARM微處理器目前包括下面幾個系列，以微處理器目前包括下面幾個系列，以及其它廠商基于及其它廠商基于ARM體系結(jié)構(gòu)的處理器，體系結(jié)構(gòu)的處理器，除了具有除了具有ARM體系結(jié)構(gòu)的共同特點以外，體系結(jié)構(gòu)的共同特點以外，每一個系列的每一個系列的ARM微處理器都有各自的微處理器都有各

23、自的特點和應用領域。特點和應用領域。 ARM7系列系列 ARM9系列系列 ARM9E系列系列 ARM10E系列系列 ARM11系列系列 SecurCore系列系列 Inter的的Xscale Inter的的StrongARM ARM微處理器系列 （1）ARM7微處理器系列微處理器系列ARM7內(nèi)核采用馮內(nèi)核采用馮諾伊曼體系結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)和指令諾伊曼體系結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)和指令使用同一條總線。內(nèi)核有一條使用同一條總線。內(nèi)核有一條3級流水線，執(zhí)級流水線，執(zhí)行行ARMv4指令集。指令集。ARM7系列微處理器主要用于對功耗和成本要求系列微處理器主要用于對功耗和成本要求比較苛刻的消費類產(chǎn)品。其最高主頻可達比較苛刻的消

24、費類產(chǎn)品。其最高主頻可達130MIPS。ARM7系列微處理器的主要應用領域為：工業(yè)控系列微處理器的主要應用領域為：工業(yè)控制、制、Internet設備、網(wǎng)絡和調(diào)制解調(diào)器設備、設備、網(wǎng)絡和調(diào)制解調(diào)器設備、移動電話等多種多媒體和嵌入式應用。移動電話等多種多媒體和嵌入式應用。 ARM微處理器系列 ARM7微處理器系列具有如下特點：微處理器系列具有如下特點：具有嵌入式具有嵌入式ICERT邏輯，調(diào)試開發(fā)方便；邏輯，調(diào)試開發(fā)方便；極低的功耗，適合對功耗要求較高的應用；極低的功耗，適合對功耗要求較高的應用；能夠提供能夠提供0.9MIPS/MHz的三級流水線結(jié)構(gòu)；的三級流水線結(jié)構(gòu)；代碼密度高并兼容代碼密度高并兼

25、容16位的位的Thumb指令集；指令集；對操作系統(tǒng)的支持廣泛，包括對操作系統(tǒng)的支持廣泛，包括Windows CE、Linux、Palm OS等；等；指令系統(tǒng)與指令系統(tǒng)與ARM9系列、系列、ARM9E系列和系列和ARM10E系列兼容，便于用戶的產(chǎn)品升級換代；系列兼容，便于用戶的產(chǎn)品升級換代；主頻最高可達主頻最高可達130MIPS，高速的運算處理能力，高速的運算處理能力能勝任絕大多數(shù)的復雜應用。能勝任絕大多數(shù)的復雜應用。ARM微處理器系列 （2）ARM9微處理器系列微處理器系列ARM9系列采用系列采用5級指令流水線，能夠運行在比級指令流水線，能夠運行在比ARM7更高的時鐘頻率上，改善了處理器的整更

26、高的時鐘頻率上，改善了處理器的整體性能。體性能。ARM9的存儲器系統(tǒng)根據(jù)哈佛體系結(jié)的存儲器系統(tǒng)根據(jù)哈佛體系結(jié)構(gòu)重新設計，區(qū)分了數(shù)據(jù)總線和指令總線。構(gòu)重新設計，區(qū)分了數(shù)據(jù)總線和指令總線。ARM9系列的第一個處理器是系列的第一個處理器是ARM920T，包含，包含獨立的數(shù)據(jù)指令獨立的數(shù)據(jù)指令Cache和和MMU。該處理器能夠。該處理器能夠被用在要求有虛擬存儲器支持的操作系統(tǒng)上。被用在要求有虛擬存儲器支持的操作系統(tǒng)上。ARM9系列微處理器主要應用于無線設備、儀器系列微處理器主要應用于無線設備、儀器儀表、安全系統(tǒng)、機頂盒、高端打印機、數(shù)字儀表、安全系統(tǒng)、機頂盒、高端打印機、數(shù)字照相機和數(shù)字攝像機等。照相

27、機和數(shù)字攝像機等。 ARM微處理器系列 （3）ARM9E微處理器系列微處理器系列ARM9E系列微處理器是系列微處理器是ARM9內(nèi)核帶有內(nèi)核帶有E變種的變種的一個可綜合版本，使用單一的處理器內(nèi)核提供一個可綜合版本，使用單一的處理器內(nèi)核提供了微控制器、了微控制器、DSP、Java應用系統(tǒng)的解決方案，應用系統(tǒng)的解決方案，極大地減少了芯片的面積和系統(tǒng)的復雜程度。極大地減少了芯片的面積和系統(tǒng)的復雜程度。ARM9E系列微處理器提供了增強的系列微處理器提供了增強的DSP處理能處理能力，很適合于那些需要同時使用力，很適合于那些需要同時使用DSP和微控制和微控制器的應用場合。器的應用場合。ARM9E系列微處理器

28、包含系列微處理器包含ARM926EJ-S、ARM946E-S和和ARM966E-S三種類型。三種類型。 ARM微處理器系列 （4）ARM10E微處理器系列微處理器系列ARM10E系列微處理器具有高性能、低功耗的特系列微處理器具有高性能、低功耗的特點，由于采用了新的體系結(jié)構(gòu)，采用點，由于采用了新的體系結(jié)構(gòu)，采用6級整數(shù)級整數(shù)流水線，與同等的流水線，與同等的ARM9器件相比較，在同樣器件相比較，在同樣的時鐘頻率下，性能提高了近的時鐘頻率下，性能提高了近50。同時，。同時，ARM10E系列微處理器采用了兩種先進的節(jié)能系列微處理器采用了兩種先進的節(jié)能方式，使其功耗極低，且提供了方式，使其功耗極低，且提

29、供了64位的位的Load/Store體系，支持包括向量操作的、滿足體系，支持包括向量操作的、滿足IEEE 754的浮點運算協(xié)處理器，系統(tǒng)集成更加的浮點運算協(xié)處理器，系統(tǒng)集成更加方便。方便。ARM微處理器系列 （5）ARM11微處理器系列微處理器系列ARM1136J-S發(fā)布于發(fā)布于2003年，是針對高性能和高年，是針對高性能和高能效應而設計的。能效應而設計的。ARM1136J-S是第一個執(zhí)行是第一個執(zhí)行ARMv6架構(gòu)指令的處理器。它集成了一條具有架構(gòu)指令的處理器。它集成了一條具有獨立的獨立的Load/Store和算術流水線的和算術流水線的8級流水線。級流水線。ARMv6指令包含了針對媒體處理的單

30、指令流多指令包含了針對媒體處理的單指令流多數(shù)據(jù)流擴展，采用特殊的設計改善視頻處理能數(shù)據(jù)流擴展，采用特殊的設計改善視頻處理能力。力。 ARM微處理器系列 （6）SecurCore微處理器系列微處理器系列SecurCore系列微處理器專為安全需要而設計，提供了完系列微處理器專為安全需要而設計，提供了完善的善的32位位RISC技術的安全解決方案，技術的安全解決方案，SecurCore系列系列微處理器除了具有微處理器除了具有ARM體系結(jié)構(gòu)的低功耗、高性能的體系結(jié)構(gòu)的低功耗、高性能的特點外，還具有其獨特的優(yōu)勢，即提供了對安全解決特點外，還具有其獨特的優(yōu)勢，即提供了對安全解決方案的支持。方案的支持。Sec

31、urCore系列微處理器除了具有系列微處理器除了具有ARM體系結(jié)構(gòu)各種主體系結(jié)構(gòu)各種主要特點外，還在系統(tǒng)安全方面具有如下的特點：要特點外，還在系統(tǒng)安全方面具有如下的特點： 帶有靈活的保護單元，以確保操作系統(tǒng)和應用數(shù)據(jù)帶有靈活的保護單元，以確保操作系統(tǒng)和應用數(shù)據(jù)的安全。的安全。 采用軟內(nèi)核技術，防止外部對其進行掃描探測。采用軟內(nèi)核技術，防止外部對其進行掃描探測。 可集成用戶自己的安全特性和其他協(xié)處理器?？杉捎脩糇约旱陌踩匦院推渌麉f(xié)處理器。 ARM微處理器系列 （7）StrongARM微處理器系列微處理器系列Intel StrongARM SA-1100處理器是采用處理器是采用ARM體體系結(jié)構(gòu)

32、高度集成的系結(jié)構(gòu)高度集成的32位位RISC微處理器。它融合微處理器。它融合了了Inter公司的設計和處理技術以及公司的設計和處理技術以及ARM體系體系結(jié)構(gòu)的電源效率，采用在軟件上兼容結(jié)構(gòu)的電源效率，采用在軟件上兼容ARMv4體體系結(jié)構(gòu)、同時采用具有系結(jié)構(gòu)、同時采用具有Intel技術優(yōu)點的體系結(jié)技術優(yōu)點的體系結(jié)構(gòu)。構(gòu)。Intel StrongARM處理器是便攜式通訊產(chǎn)品和消處理器是便攜式通訊產(chǎn)品和消費類電子產(chǎn)品的理想選擇，已成功應用于多家費類電子產(chǎn)品的理想選擇，已成功應用于多家公司的掌上電腦系列產(chǎn)品。公司的掌上電腦系列產(chǎn)品。 ARM微處理器系列 （8）Xscale處理器處理器Xscale處理器是

33、基于處理器是基于ARMv5TE體系結(jié)構(gòu)的解決體系結(jié)構(gòu)的解決方案，是一款全性能、高性價比、低功耗的處方案，是一款全性能、高性價比、低功耗的處理器。它支持理器。它支持16位的位的Thumb指令和指令和DSP指令集，指令集，已使用在數(shù)字移動電話、個人數(shù)字助理和網(wǎng)絡已使用在數(shù)字移動電話、個人數(shù)字助理和網(wǎng)絡產(chǎn)品等場合。產(chǎn)品等場合。Xscale處理器是處理器是Intel目前主要推廣的一款目前主要推廣的一款ARM微微處理器。處理器。 3.1 ARM體系結(jié)構(gòu) 3.1.2 ARM工作狀態(tài)工作狀態(tài)從編程的角度看，從編程的角度看，ARM微處理器的工作狀微處理器的工作狀態(tài)一般有兩種，并可在兩種狀態(tài)之間切態(tài)一般有兩種，

34、并可在兩種狀態(tài)之間切換：換：第一種為第一種為ARM狀態(tài)，此時處理器執(zhí)行狀態(tài)，此時處理器執(zhí)行32位的、字對齊的位的、字對齊的ARM指令；指令；第二種為第二種為Thumb狀態(tài)，此時處理器執(zhí)狀態(tài)，此時處理器執(zhí)行行16位的、半字對齊的位的、半字對齊的Thumb指令。指令。3.1 ARM體系結(jié)構(gòu) 3.1.3 ARM微處理器的寄存器組織微處理器的寄存器組織ARM處理器共有處理器共有37個寄存器，被分為若干個寄存器，被分為若干個組（個組（BANK），這些寄存器包括：），這些寄存器包括：31個通用寄存器，包括程序計數(shù)器個通用寄存器，包括程序計數(shù)器（PC指針），均為指針），均為32位的寄存器。位的寄存器。6個狀

35、態(tài)寄存器，用以標識個狀態(tài)寄存器，用以標識CPU的工作的工作狀態(tài)及程序的運行狀態(tài)，均為狀態(tài)及程序的運行狀態(tài)，均為32位，位，目前只使用了其中的一部分。目前只使用了其中的一部分。3.1 ARM體系結(jié)構(gòu) 3.1.4 ARM微處理器的指令結(jié)構(gòu)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)中支持兩微處理器在較新的體系結(jié)構(gòu)中支持兩種指令集：種指令集：ARM指令集和指令集和Thumb指令集。指令集。其中，其中，ARM指令為指令為32位的長度，位的長度，Thumb指令為指令為16位長度。位長度。Thumb指令集為指令集為ARM指令集的功能子集，指令集的功能子集，但與等價的但與等價的ARM代碼相比較，可節(jié)省代

36、碼相比較，可節(jié)省30%40%以上的存儲空間，同時具備以上的存儲空間，同時具備32位代碼的所有優(yōu)點。位代碼的所有優(yōu)點。 主要內(nèi)容 3.1 ARM體系結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)3.1.1 ARM微處理器結(jié)構(gòu)微處理器結(jié)構(gòu)3.1.2 ARM工作狀態(tài)工作狀態(tài)3.1.3 ARM微處理器的寄存器組織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)微處理器的指令結(jié)構(gòu) 3.2 ARM9處理器簡介處理器簡介3.2.1 與與ARM7處理器的比較處理器的比較3.2.2 OMAP5912處理器簡介處理器簡介3.2 ARM9處理器簡介 ARM9系列處理器是系列處理器是ARM公司設計的主流嵌入式公司設計的主流嵌入式處理器，主要包

37、括處理器，主要包括ARM9TDMI和和ARM9E-S等系等系列。列。 以手機應用為例，以手機應用為例，2G手機只需提供語音及簡單的手機只需提供語音及簡單的文字短信功能，而文字短信功能，而2.5G和和3G手機除了提供這兩項手機除了提供這兩項功能外，還必須提供各種其他的應用功能。主要功能外，還必須提供各種其他的應用功能。主要包括：包括：（1）無線網(wǎng)絡設備：手機上網(wǎng)、電子郵件及其他定位服）無線網(wǎng)絡設備：手機上網(wǎng)、電子郵件及其他定位服務等功能；務等功能； （2）PDA功能：含有用戶操作系統(tǒng)（功能：含有用戶操作系統(tǒng)（Windows CE、Symbian OS、Linux等）及其他功能；等）及其他功能；

38、（3）高性能功能：音頻播放器、視頻電話、手機游戲等。）高性能功能：音頻播放器、視頻電話、手機游戲等。 3.2 ARM9處理器簡介 3.2.1 與與ARM7處理器比較處理器比較ARM7提供了非常好的性能功耗比，它提供了非常好的性能功耗比，它包含了包含了Thumb指令集快速乘法指令和指令集快速乘法指令和ICE調(diào)試技術的內(nèi)核。調(diào)試技術的內(nèi)核。ARM9處理器通過全新的設計，采用了更處理器通過全新的設計，采用了更多的晶體管，能夠達到兩倍以上于多的晶體管，能夠達到兩倍以上于ARM7處理器的處理能力。處理器的處理能力。ARM7內(nèi)核是內(nèi)核是0.9MIPS/MHz的三級流水線的三級流水線和馮和馮諾伊曼結(jié)構(gòu)，而諾

39、伊曼結(jié)構(gòu)，而ARM9內(nèi)核是內(nèi)核是5級流級流水線，提供水線，提供1.1MIPS/MHz的哈佛結(jié)構(gòu)。的哈佛結(jié)構(gòu)。 3.2.1 與ARM7處理器比較 1. 體系結(jié)構(gòu)不同體系結(jié)構(gòu)不同ARM7內(nèi)核采用馮內(nèi)核采用馮諾伊曼體系結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)和指令諾伊曼體系結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)和指令使用同一條總線。使用同一條總線。ARM9內(nèi)核根據(jù)哈佛體系結(jié)內(nèi)核根據(jù)哈佛體系結(jié)構(gòu)重新設計，區(qū)分了數(shù)據(jù)總線和指令總線。構(gòu)重新設計，區(qū)分了數(shù)據(jù)總線和指令總線。 （1）馮）馮諾伊曼結(jié)構(gòu)諾伊曼結(jié)構(gòu) 3.2.1 與ARM7處理器比較 1. 體系結(jié)構(gòu)不同體系結(jié)構(gòu)不同（2）哈佛結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)的特點是使用兩個獨立的存儲器模塊，哈佛結(jié)構(gòu)的特點是使用兩個獨立的

40、存儲器模塊，分別存儲指令和數(shù)據(jù)。分別存儲指令和數(shù)據(jù)。3.2.1 與ARM7處理器比較 在典型情況下，完成一條指令需要在典型情況下，完成一條指令需要3個步驟，即：個步驟，即：取指令、指令譯碼和執(zhí)行指令。取指令、指令譯碼和執(zhí)行指令。 馮馮諾伊曼結(jié)構(gòu)處理器指令流的定時關系示意圖諾伊曼結(jié)構(gòu)處理器指令流的定時關系示意圖 3.2.1 與ARM7處理器比較 如果采用哈佛結(jié)構(gòu)處理以上同樣的如果采用哈佛結(jié)構(gòu)處理以上同樣的3條存取數(shù)指條存取數(shù)指令，由于取指令和存取數(shù)據(jù)分別經(jīng)由不同的存儲令，由于取指令和存取數(shù)據(jù)分別經(jīng)由不同的存儲空間和不同的總線，使得各條指令可以重疊執(zhí)行，空間和不同的總線，使得各條指令可以重疊執(zhí)行，

41、這樣，也就克服了數(shù)據(jù)流傳輸?shù)钠款i，提高了運這樣，也就克服了數(shù)據(jù)流傳輸?shù)钠款i，提高了運算速度。算速度。 哈佛結(jié)構(gòu)處理器指令流的定時關系示意圖哈佛結(jié)構(gòu)處理器指令流的定時關系示意圖 3.2.1 與ARM7處理器比較 2. 時鐘頻率的提高時鐘頻率的提高 ARM7處理器采用處理器采用3級流水線，在執(zhí)行級完成了級流水線，在執(zhí)行級完成了多個操作，包括從寄存器讀取操作數(shù)，傳給移多個操作，包括從寄存器讀取操作數(shù)，傳給移位寄存器，傳給算術邏輯單元位寄存器，傳給算術邏輯單元ALU，把運算結(jié)，把運算結(jié)果寫回寄存器。果寫回寄存器。 ARM7TDMI和和ARM7TDMI-S流水線流水線 3.2.1 與ARM7處理器比較

42、2. 時鐘頻率的提高時鐘頻率的提高 ARM9采用采用5級流水線，級流水線，ARM9TDMI和和ARM9E-S兩種設計基本一樣，除了兩種設計基本一樣，除了ARM9E-S內(nèi)核實現(xiàn)了內(nèi)核實現(xiàn)了一個更復雜的乘加單元，以支持一個更復雜的乘加單元，以支持ARMv5TE架構(gòu)架構(gòu)新引入的新引入的DSP增強指令集。采用哈佛架構(gòu)避免了增強指令集。采用哈佛架構(gòu)避免了數(shù)據(jù)訪問和取指令對單總線的使用沖突。數(shù)據(jù)訪問和取指令對單總線的使用沖突。 ARM9TDMI流水線流水線 3.2.1 與ARM7處理器比較 3. 指令周期的改進指令周期的改進（1）存儲器讀寫指令）存儲器讀寫指令Load/Store導致導致Load/Stor

43、e指令時鐘數(shù)目減少的兩個微處理指令時鐘數(shù)目減少的兩個微處理器架構(gòu)設計上的根本差別：器架構(gòu)設計上的根本差別： ARM9內(nèi)核采用哈佛架構(gòu)，有獨立的指令和數(shù)據(jù)存內(nèi)核采用哈佛架構(gòu)，有獨立的指令和數(shù)據(jù)存儲器接口，允許儲器接口，允許CPU在取指令的同時讀寫數(shù)據(jù)。而在取指令的同時讀寫數(shù)據(jù)。而ARM7內(nèi)核則只有一個存儲器接口，取指令或數(shù)據(jù)內(nèi)核則只有一個存儲器接口，取指令或數(shù)據(jù)訪問都得經(jīng)由此接口。訪問都得經(jīng)由此接口。 ARM9內(nèi)核的內(nèi)核的5級流水線設計引入了獨立的級流水線設計引入了獨立的“存儲存儲器（器（Memory）”和和“寫回（寫回（Write Back）”兩級流兩級流水線，分別用于存儲器讀寫和把結(jié)果寫回寄

44、存器組。水線，分別用于存儲器讀寫和把結(jié)果寫回寄存器組。3.2.1 與ARM7處理器比較 3. 指令周期的改進指令周期的改進（2）互鎖技術（）互鎖技術（interlocks）當某一條指令需要的源數(shù)據(jù)由于前面的指令仍未當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，流水線就會發(fā)生互鎖。執(zhí)行完而不可用時，流水線就會發(fā)生互鎖。互鎖發(fā)生時，在硬件上將暫停該指令的執(zhí)行，直互鎖發(fā)生時，在硬件上將暫停該指令的執(zhí)行，直到需要的數(shù)據(jù)準備好為止。有了互鎖機制，到需要的數(shù)據(jù)準備好為止。有了互鎖機制，ARM9得以與以前得以與以前ARM處理器保持二進制代碼處理器保持二進制代碼級別的兼容。級別的兼容。在許多情況

45、下，編譯器或者代碼編寫者可以通過在許多情況下，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改變指令的順序或者別的一些技巧來減少互鎖周期數(shù)。周期數(shù)。 3.2.1 與ARM7處理器比較 3. 指令周期的改進指令周期的改進（3）分支指令）分支指令ARM9和和ARM7的分支指令周期是相同的。的分支指令周期是相同的。ARM9TDMI和和ARM9E-S不支持分支預測。在這不支持分支預測。在這些處理器上，跳轉(zhuǎn)的開銷相對不那么重要。實現(xiàn)些處理器上，跳轉(zhuǎn)的開銷相對不那么重要。實現(xiàn)分支預測增加了邏輯開銷，導致芯片尺寸增大，分支預測增加了邏輯開銷，導致芯片尺寸增大，卻不會帶來顯著的性能提升。

46、卻不會帶來顯著的性能提升。 分支指令分支指令ARM7TDMI和和ARM7TDMI-SARM9TDMI和和ARM9E-SBranch Taken（passes its condition code check）33Branch Taken（fails its condition code check）113.2 ARM9處理器簡介 3.2.2 OMAP5912處理器介紹處理器介紹1. 開放式多媒體應用平臺開放式多媒體應用平臺OMAP TI于于1999年年5月推出月推出OMAP架構(gòu)，架構(gòu)，OMAP處理器處理器家族目前主要有三大系列。家族目前主要有三大系列。OMAP平臺具有可平臺具有可擴展、靈活而開

47、放的構(gòu)架，長期以來一直以最擴展、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。使用該平臺設計的佳性能和極低功耗而著稱。使用該平臺設計的2.5G和和3G手機可以實現(xiàn)多種應用，如語言處理、手機可以實現(xiàn)多種應用，如語言處理、視頻流、電視會議、高保真音頻、定位服務、視頻流、電視會議、高保真音頻、定位服務、安全性、游戲、移動商務、個人管理等多媒體安全性、游戲、移動商務、個人管理等多媒體應用。應用。 OMAP處理器家族3.2 ARM9處理器簡介 3.2.2 OMAP5912處理器介紹處理器介紹2. OMAP5912處理器處理器OMAP5912處理器是處理器是OMAP1510系列的一個分支，系列

48、的一個分支，是由是由TI應用最為廣泛的應用最為廣泛的TMS320C55X DSP內(nèi)核內(nèi)核與低功耗、高性能的與低功耗、高性能的ARM926EJ-S微處理器組微處理器組成的雙核應用處理器，這兩個內(nèi)核通過一種專成的雙核應用處理器，這兩個內(nèi)核通過一種專用的處理器內(nèi)部通信機制相連接。用的處理器內(nèi)部通信機制相連接。C55x系列可提供對低功耗應用的實時多媒體處理系列可提供對低功耗應用的實時多媒體處理的支持；的支持；ARM926可滿足控制和接口方面的處可滿足控制和接口方面的處理需要?；陔p核結(jié)構(gòu)，理需要。基于雙核結(jié)構(gòu)，OMAP5912具有極強具有極強的運算能力和極低的功耗。的運算能力和極低的功耗。OMAP5912內(nèi)部功能框圖3.2 ARM9處理器簡介 3.2.2 OMAP5912處理器介紹處理器介紹3. 常用的常用的OMAP5912開發(fā)工具開發(fā)工具（1 1）OMAP5912 Starter Kit OMAP5912 Starter Kit （OSKOSK）（2 2）MU-Q-VGA LCD Module for OMAP5912 MU-Q-VGA LCD Module for OMAP5912 （3 3）Accelerator Program for OMAP5912 Accelerator Pro