上海交通大學(xué)嵌入式第2講 ARM的體系結(jié)構(gòu)

第二講ARM體系結(jié)構(gòu)10六月2024上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院錢峰嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電子信息與電氣工程學(xué)院10六月2024第二講ARM體系結(jié)構(gòu)1.嵌入式系統(tǒng)基本概念3.嵌入式系統(tǒng)發(fā)展歷史4.嵌入式系統(tǒng)組成2.嵌入式系統(tǒng)特點(diǎn)5.嵌入式處理器6.嵌入式操作系統(tǒng)第一講嵌入式系統(tǒng)概述

回顧上講：7.嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用

電子信息與電氣工程學(xué)院10六月2024

1.ARM公司簡(jiǎn)介2.ARM處理器系列3.ARM處理器結(jié)構(gòu)第二講ARM體系結(jié)構(gòu)第二講ARM體系結(jié)構(gòu)

電子信息與電氣工程學(xué)院10六月20241。ARM公司簡(jiǎn)介

ARM公司成立于1990年11月，全稱是“AdvancedRISCMachinesLtd.”，它是由英國(guó)Acorn電腦集團(tuán)提供技術(shù)和12名工程師、美國(guó)蘋果電腦和VLSITechnology(目前已被飛利浦收購(gòu))出資聯(lián)手組建的美英合資企業(yè)。ARM的第一個(gè)客戶就是蘋果電腦公司，為其新開(kāi)發(fā)的Newton掌上電腦提供高速、低功耗的RISC(精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī))處理器。由于ARM只有技術(shù)，缺乏資金來(lái)購(gòu)買昂貴的芯片制造、封裝和測(cè)試設(shè)備，因此ARM授權(quán)伙伴公司VLSITechnology生產(chǎn)，并提供必要的技術(shù)支持，這種合作方式的初步成功也為今后ARM的發(fā)展模式奠定了基礎(chǔ)。1991年，ARM推出首個(gè)嵌入式RISC核心—ARM6?系列處理器后不久VLSI率先獲得授權(quán)。一年后夏普和GECPlessey也成為授權(quán)用戶。1993年德州儀器和CirrusLogic也簽署了授權(quán)協(xié)議。從此，ARM的知識(shí)產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品和授權(quán)用戶都急劇擴(kuò)大。

1.ARM公司簡(jiǎn)介

電子信息與電氣工程學(xué)院10六月20241993年NipponInvestmentandFinance(NIF)成為ARM股東后，ARM開(kāi)始向全球拓展，分別在亞洲、美國(guó)和歐洲設(shè)立了辦事處，1998年4月ARM在倫敦證券交易所和納斯達(dá)克交易所上市。

目前，ARM現(xiàn)已發(fā)展成為一家全球性大公司，在3大洲8個(gè)國(guó)家設(shè)有分支機(jī)構(gòu)，雇員超過(guò)800人。公司在英國(guó)布萊克本、劍橋和舍菲爾德、法國(guó)SophiaAntipolis以及美國(guó)加州WalnutCreek和德州奧斯丁設(shè)有研發(fā)中心，并在法國(guó)、德國(guó)、日本、韓國(guó)、中國(guó)臺(tái)灣、以色列、英國(guó)和美國(guó)建立了銷售、行政和技術(shù)支持辦事處。ARM中國(guó)-安謀咨詢(上海)有限公司已在2002年7月在中國(guó)上海成立。1。ARM公司簡(jiǎn)介

電子信息與電氣工程學(xué)院10六月2024ARM主要合作伙伴:1。ARM公司簡(jiǎn)介

電子信息與電氣工程學(xué)院10六月2024ARM主要半導(dǎo)體和系統(tǒng)伙伴包括：3Com、Agere、安捷倫、AKM、阿爾卡特、Altera、AMISemiconductor、AnalogDevices、Atmel、Basis、CirrusLogic、Cogency、科勝訊、愛(ài)普生、愛(ài)立信、富士通、GlobalUniChip、Hynix、IBM、Infineon、英特爾、LinkUpSystems、LSILogic、Kawasaki、Marvell、Micronas、三菱、Mobilan、摩托羅拉、國(guó)家半導(dǎo)體、NEC、OakTechnology、OKI、松下、飛利浦、Prairiecom、Qualcomm、Resonext、Rohn、三星、三洋,夏普,SiliconWave,SiS,索尼,STMicroelectronics,德州儀器,東芝,Triscend、Virata、雅馬哈、Zarlink和深圳中興集成。1。ARM公司簡(jiǎn)介

電子信息與電氣工程學(xué)院10六月2024操作系統(tǒng)伙伴包括：

Aplix,EmbeddedPowerCorporation,JMISoftwareSystemsInc.,MentorGraphics,微軟,Realogy、SavajeTechnologies,SunMicrosystems,Symbian和WindRiver.應(yīng)用伙伴包括：

Asahi、Beatnik、CambridgePositioningSystems(CPS)、Dolby、EmblazeSystems、GalaxyPowerInc、ImprovSystems、InterTrustTechnologies、LiquidAudio、微軟、PacketVideo、Superscape和ImaginationTechnologies。開(kāi)發(fā)工具伙伴包括：

AgilentTechnologies,Allant,AppliedDataSystems,EmbeddedPerformanceInc.,GreenHills,Software,MentorGraphics,Metaware,Metrowerks,Tektronix和WindRiver.1。ARM公司簡(jiǎn)介

電子信息與電氣工程學(xué)院10六月2024ARM驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用

ARM注重滿足用戶源源不斷的新需求，不斷加強(qiáng)產(chǎn)品性能，提高集成度，降低功耗，并縮小芯片體積。

ARM的用戶遍及多個(gè)行業(yè)。包括汽車、消費(fèi)娛樂(lè)、成像、工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)、安保和無(wú)線應(yīng)用等等。1。ARM公司簡(jiǎn)介

電子信息與電氣工程學(xué)院10六月2024ARM的成功之道

ARM在短短的十多年時(shí)間中，ARM憑借高超的技術(shù)和相對(duì)低廉的授權(quán)方式，贏得了不少客戶的青睞，將一大批大名鼎鼎、耳熟能詳?shù)陌雽?dǎo)體生產(chǎn)、軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成和應(yīng)用企業(yè)招至麾下。2000年，全球ARM處理器的發(fā)貨量達(dá)到4億；到2001年，ARM處理器就擁有超過(guò)76.8%的RISC處理器的市場(chǎng)份額；2002年則幾乎壟斷了全球嵌入式RISC處理器市場(chǎng)。據(jù)Dataquest的最新報(bào)告顯示，2002年ARM公司再次成為排名第一的IP提供商，其市場(chǎng)份額高出排名第二Rambus公司約一倍左右。

現(xiàn)在“每1秒鐘全世界就有10塊以上的ARM芯片被買走”,“每賣出一部裝有ARM芯片的手機(jī)，ARM公司能獲利1元人民幣”；“ARM不出售任何芯片，每年坐收2億美金”。這樣的業(yè)績(jī)卻是一家不到800員工的“小公司”完成的，這樣的成功只能稱為奇跡。1。ARM公司簡(jiǎn)介

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有人說(shuō)，ARM的成功是鉆了英特爾的空子，在芯片巨人忽視的領(lǐng)域長(zhǎng)成茁壯的大樹(shù)；

也有人說(shuō)，ARM是在一個(gè)合適的產(chǎn)業(yè)選擇了一種聰明的發(fā)展模式，既避免了與對(duì)手正面碰撞，又聯(lián)合了上百家有實(shí)力的廠家；

還有人說(shuō)，ARM靠提供芯片的知識(shí)產(chǎn)權(quán)發(fā)家，處于產(chǎn)業(yè)鏈的上游，宛如自然界食物鏈的最高一環(huán)。

英國(guó)的輝煌伴隨著大不列顛帝國(guó)的遠(yuǎn)逝而慢慢褪色，在很多人的記憶里只有曼聯(lián)球隊(duì)那團(tuán)略顯旺盛的火焰，因?yàn)橛?guó)已經(jīng)徹底沉默在美國(guó)的聲音之中。然而，一個(gè)叫做ARM的公司宛如藍(lán)色的小精靈，活躍在處理器芯片領(lǐng)域，成為整個(gè)英倫三島的驕傲。1。ARM公司簡(jiǎn)介

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當(dāng)ARM公司創(chuàng)始人之一RobinSaxby從摩托羅拉出來(lái)創(chuàng)業(yè)時(shí)，就一直在思考這樣的問(wèn)題：如何讓弱小的ARM公司生存下來(lái)？ARM公司當(dāng)時(shí)唯一有競(jìng)爭(zhēng)力的是全世界首款商用RISC微處理器，并得到了蘋果公司的認(rèn)同。然而，與那時(shí)的芯片巨人相比，無(wú)論在財(cái)力和人力上，ARM都象一只小舢板，在疾風(fēng)驟雨中，隨時(shí)都可能會(huì)翻船。于是，ARM公司巧妙地選擇了一個(gè)被人忽視的切入點(diǎn)—32位嵌入式處理器的內(nèi)核設(shè)計(jì)。由于那時(shí)4位和8位的嵌入式處理器大行其道，而英特爾又專注于PC處理器，以至于ARM得到了可乘之機(jī)，而互聯(lián)網(wǎng)的崛起和移動(dòng)通信的發(fā)展又刺激了嵌入式處理器的需求，ARM提供的芯片技術(shù)既能滿足日益增長(zhǎng)的多媒體需求，又有省電節(jié)能的特殊功效，一時(shí)之間，形成了新的消費(fèi)熱點(diǎn)，也帶動(dòng)了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的擴(kuò)張?？梢哉f(shuō)，ARM最初切入32位嵌入式處理器具有一定的前瞻性，這也為ARM的成功奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。成功之道1:在合適的時(shí)間,選擇了合適的領(lǐng)域,合適的定位.1。ARM公司簡(jiǎn)介

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當(dāng)經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)作和磨合，ARM公司終于找到了適合自己的商業(yè)模式：不生產(chǎn)任何商用的半導(dǎo)體產(chǎn)品，只依靠收取知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)使用費(fèi)來(lái)獲取收益。

ARM公司不生產(chǎn)芯片帶來(lái)直接的好處就是，芯片巨頭不再認(rèn)為ARM是競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，相反還是可以相互合作的朋友。ARM能與芯片廠商化敵為友，避免了硬碰硬，也使得公司搶占在產(chǎn)業(yè)鏈最高層。

ARM的收入來(lái)源已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了多元化：首先是專利授權(quán)費(fèi)用，這是客戶采用ARM專利時(shí)一次性付給ARM的費(fèi)用；其次是按照一定比例收取客戶產(chǎn)品的專利使用費(fèi)，即客戶每賣出一片芯片，就收取一定比例的費(fèi)用。成功之道2:采用靈活而又廉價(jià)的商業(yè)模式,廣開(kāi)財(cái)源之門.1。ARM公司簡(jiǎn)介

電子信息與電氣工程學(xué)院10六月2024這兩項(xiàng)專利技術(shù)收入分別占公司總收入的40%和30%。另外，該公司在設(shè)計(jì)工具銷售方面的收入有15%左右，剩下的來(lái)自設(shè)計(jì)顧問(wèn)服務(wù)和培訓(xùn)支持服務(wù)等。在2003年第一季度，ARM專利使用費(fèi)用比上一季度大幅上漲了33%，而其合作伙伴賣出的芯片數(shù)量也由1.27億片上升到1.78億片。這表明，ARM不僅僅自己發(fā)家致富，也為合作伙伴帶來(lái)了財(cái)運(yùn)。正是采用共生共存的合作方式，ARM為客戶創(chuàng)造利潤(rùn)的同時(shí)，也為自己覓得了商機(jī)。1。ARM公司簡(jiǎn)介

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在IT領(lǐng)域，技術(shù)也許不是企業(yè)成功所需的決定性因素，但絕對(duì)是每家公司都非常重視因素。ARM公司能在短短十年的時(shí)間內(nèi)脫穎而出，絕不僅僅靠成熟的商業(yè)模式和合適的市場(chǎng)定位。正因?yàn)锳RM處理器在設(shè)計(jì)上有不少獨(dú)到之處，才使得它得到了廣泛的應(yīng)用。在ARM公司提供的技術(shù)授權(quán)中，生產(chǎn)商可以根據(jù)不同的需要對(duì)ARM處理器進(jìn)行配置，這也就是說(shuō)，ARM公司能夠按需定做處理器芯片，即便是兩家廠商采用了同樣的ARM技術(shù)授權(quán)，其生產(chǎn)的芯片在技術(shù)細(xì)節(jié)上也是不同的。比如英特爾的Xscale和德州儀器的OMAP處理器均是出自ARM9系列，其核心完全相同，但是使用的DSP內(nèi)核會(huì)略有差異，這樣既能保證操作系統(tǒng)運(yùn)行程序的一致性，又能滿足不同芯片的個(gè)性化需求。成功之道3:在技術(shù)上有獨(dú)到之處,注重靈活的配置和良好的軟件兼容性.1。ARM公司簡(jiǎn)介

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ARM公司在技術(shù)上的活力來(lái)源于對(duì)研發(fā)源源不斷的投入上，ARM運(yùn)營(yíng)的成本主要是人力投入，60%的員工是研發(fā)人員，研發(fā)費(fèi)用大約占營(yíng)收的30%以上，2003年一季度的研發(fā)投入更是高達(dá)38%。最近，ARM公司牽手美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司，共同開(kāi)發(fā)可大幅延長(zhǎng)便攜式設(shè)備電池壽命的高效率電源管理系統(tǒng)，為解決目前困擾終端設(shè)備已久的耗電問(wèn)題帶來(lái)了一絲曙光。據(jù)稱，2003年年底，ARM公司還將推出三項(xiàng)新技術(shù)：TrustZone，Thumb2，AMBA新版，將把ARM處理器帶進(jìn)一個(gè)新的“革命時(shí)期”，這或許是ARM歷久彌新的根本原因。成功之道4:對(duì)研發(fā)持續(xù)不斷地投入,聯(lián)手有實(shí)力的廠商進(jìn)行技術(shù)攻關(guān),不斷追求技術(shù)創(chuàng)新.1。ARM公司簡(jiǎn)介

電子信息與電氣工程學(xué)院10六月20242。ARM處理器系列2.ARM處理器系列ARM處理器的主要特點(diǎn):1).體積小、低功耗、低成本、高性能;2).支持Thumb(16位)/ARM(32位)雙指令集，能很好地兼容8位/16位器件;3).大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度快;4).大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成;5).尋址方式靈活簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高;6).指令長(zhǎng)度固定.

ARM處理器核當(dāng)前有6個(gè)系列產(chǎn)品：ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、SecurCore、ARM11系列以及最新的CortexM3系列。進(jìn)一步的產(chǎn)品來(lái)自其合作伙伴，例如IntelXscale微體系結(jié)構(gòu)和StrongARM產(chǎn)品。ARM7~ARM10是四個(gè)通用處理器系列。每個(gè)系列提供一套特定的性能來(lái)滿足設(shè)計(jì)者對(duì)功耗、性能和體積的需求。SecurCore是第五個(gè)產(chǎn)品系列，專門為安全要求較高的應(yīng)用而設(shè)計(jì)。

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ARM7系列處理器為低功耗的32位RISC處理器，最適合于對(duì)價(jià)位和功耗要求較高的消費(fèi)類產(chǎn)品。最高主頻可高達(dá)130MIPS（MInstructionsPS）。其主要特點(diǎn)是：

ARM7系列處理器1).具有嵌入式ICE-RT（Internet）邏輯，調(diào)試開(kāi)發(fā)方便;2).極低的功耗;3).能夠提供0.9MIPS/MHz的三級(jí)流水線結(jié)構(gòu);4).代碼密度高并兼容16位Thumb指令集;5).對(duì)操作系統(tǒng)的廣泛支持，包括WindowsCE,PalmOS,Linux等;6).指令系統(tǒng)與ARM9系列、ARM9E和ARM10E兼容.

ARM7系列處理器包括如下幾種類型的核：ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ等.2。ARM處理器系列

電子信息與電氣工程學(xué)院10六月2024ARM7TDMI命名的含義:

ARM7:ARM632位整型核的3V兼容版本;

T:16位壓縮指令集Thumb;D:在片調(diào)試支持,允許處理器響應(yīng)調(diào)試請(qǐng)求暫停;

M:增強(qiáng)型乘法器(multiplier);I:嵌入式ICE硬件提供片上斷點(diǎn)和調(diào)試點(diǎn)支持.ARM7TDMI-SARM7TDMI的綜合(synthesizable)版本(軟核);ARM720T

全性能的MMU;ARM7EJ

是Jazelle和DSP指令集的最小及最低功耗的實(shí)現(xiàn)2。ARM處理器系列

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ARM9系列處理器是高性能和低功耗特性方面最佳的硬宏單元。其主要特點(diǎn)是：

ARM9系列處理器1).五級(jí)整數(shù)流水線，指令執(zhí)行效果更高;2).能夠提供1.1MIPS/MHz的哈佛結(jié)構(gòu);3).支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集;4).支持32位的高速AMBA總線接口;5).全性能的MMU，支持WindowsCE,PalmOS,Linux等多種主流嵌入式操作系統(tǒng);6).MPU支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),包括Vxworks;7).統(tǒng)一的數(shù)據(jù)Cache和指令Cache.

ARM9系列處理器包括如下幾種類型的核：ARM920T、ARM922T和ARM940T三種類型。

ARM9系列處理器主要用于無(wú)線設(shè)備、儀器儀表、安全系統(tǒng)、機(jī)頂盒、高端打印機(jī)、PDA、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)、視頻電話等.2。ARM處理器系列

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ARM9E系列處理器為可綜合處理器，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。其主要特點(diǎn)是：

ARM9E系列處理器1).支持32位ARM、16位Thumb指令集和DSP指令集;2).五級(jí)整數(shù)流水線;3).在典型的0.13um工藝下,主頻可達(dá)到300MIPS的性能;4).集成的實(shí)時(shí)跟蹤和調(diào)試接口;5).支持32位的高速AMBA（AdvancedMicrocontrollerBusArchitecture）總線接口;6).可選的VFP9浮點(diǎn)處理協(xié)處理器;7).在實(shí)時(shí)控制和三維圖像處理時(shí),主頻可達(dá)215MFLOPS;8).高性能的AHB系統(tǒng);（高性能總線）9).MMU支持WindowsCE,PalmOS,Linux等多種主流嵌入式操作系統(tǒng).2。ARM處理器系列

電子信息與電氣工程學(xué)院10六月2024ARM9E系列處理器的主要應(yīng)用場(chǎng)合：新一代無(wú)線設(shè)備，包括視頻電話和PDA等;數(shù)字消費(fèi)品,包括機(jī)頂盒、家庭網(wǎng)關(guān)、MP3播放器和MPEG4播放器等;成像設(shè)備,包括打印機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和數(shù)碼攝像機(jī)等;存儲(chǔ)設(shè)備,包括DVD和HDD等;工業(yè)控制,包括馬達(dá)控制等;汽車系統(tǒng)的ABS和車體控制等;網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,包括VoIP、WirelessLAN、xDSL等.

ARM9E系列處理器包括如下幾種類型的核：ARM926EJ-S、ARM946E-S和ARM966E-S三種類型。10).MPU支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，包括Vxworks;11).統(tǒng)一的數(shù)據(jù)Cache和指令Cache.2。ARM處理器系列

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ARM10E系列處理器具有高性能和低功耗的特點(diǎn)。它采用新的體系使其在所有的ARM產(chǎn)品中具有最高的MIPS/MHz。ARM10E系列處理器采用新的節(jié)能模式,使其功耗更低。它提供了64位的讀取/寫(xiě)入體系,支持包括向量操作的滿足IEEE754的浮點(diǎn)運(yùn)算協(xié)處理器.其主要特點(diǎn)是：

ARM10E系列處理器1).支持32位ARM、16位Thumb指令集和DSP指令集;2).六級(jí)整數(shù)流水線;3).在典型的0.13um工藝下,主頻可達(dá)到400MIPS的性能;4).單一的32位AMBA總線接口;5).可選的VFP10浮點(diǎn)處理協(xié)處理器;6).在實(shí)時(shí)控制和三維圖像處理時(shí),主頻可達(dá)650MFLOPS;7).高性能的AHB系統(tǒng);8).MMU支持WindowsCE,PalmOS,Linux等操作系統(tǒng);9).MPU支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),包括Vxworks;10).統(tǒng)一的數(shù)據(jù)Cache和指令Cache;11).并行讀取/寫(xiě)入功能。2。ARM處理器系列

電子信息與電氣工程學(xué)院10六月2024ARM10E系列處理器的主要應(yīng)用場(chǎng)合：新一代無(wú)線設(shè)備,包括視頻電話、PDA、筆記本電腦和Internet設(shè)備等;數(shù)字消費(fèi)品,包括機(jī)頂盒、家庭網(wǎng)關(guān)、MP3播放器和MPEG4播放器等;成像設(shè)備，包括激光打印機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和數(shù)碼攝像機(jī)等;工業(yè)控制，包括馬達(dá)控制等;汽車系統(tǒng)，通信和信息系統(tǒng)等;

ARM10E系列處理器包括如下幾種類型的核：ARM1020E、ARM1022E和ARM1026EJ-S三種類型。2。ARM處理器系列

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SecurCore系列處理器

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，因此，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它協(xié)處理器.

SecurCore系列微處理器主要應(yīng)用于一些對(duì)安全性要求較高的應(yīng)用產(chǎn)品及應(yīng)用系統(tǒng)，如電子商務(wù)、電子政務(wù)、電子銀行業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)和認(rèn)證系統(tǒng)等領(lǐng)域。

SecurCore系列處理器包括SecurCore,SC100,SecurCoreSC110,SecurCoreSC200和SecurCoreSC210四種類型，以適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合。2。ARM處理器系列

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StrongARM系列處理器1995年,ARM,Apple和DEC公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)一種應(yīng)用于PDA的高性能，低功耗、基于ARM體系結(jié)構(gòu)的StrongARM微處理器。DEC公司將其在Alpha高檔處理器設(shè)計(jì)上的特長(zhǎng)應(yīng)用到ARM芯片設(shè)計(jì)中。開(kāi)發(fā)出StrongARMSA-110。在體系上，StrongARM將原來(lái)的ARM中的三級(jí)流水線擴(kuò)展到五級(jí)；在器件工藝上，大量采用最新的體系結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)技術(shù)，大大降低了芯片工作時(shí)的能耗，使得StongARMSA-110成為高性能嵌入式處理器設(shè)計(jì)的一個(gè)里程碑。1998年Intel公司收購(gòu)了DEC公司的半導(dǎo)體部門，相繼又開(kāi)發(fā)了StongARMSA-1100,StongARMSA-1110處理器.

IntelStrongARM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2。ARM處理器系列

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XScale

系列處理器是基于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Thumb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

系列處理器包括XScalePXA270,XScalePXA255,IXP4XX,IOP3XX多種類型。

XScale系列處理器2。ARM處理器系列

電子信息與電氣工程學(xué)院10六月2024如果按ARM公司原來(lái)的ARM7、ARM9、ARM11等方式來(lái)命名，這款芯片的名稱應(yīng)該為ARM12,但是ARM已經(jīng)決定繼續(xù)使用Cortex系列來(lái)命名，將來(lái)還會(huì)推出針對(duì)特定應(yīng)用的Cortex系列產(chǎn)品。基于ARMv7架構(gòu)的Cortex-M3處理器帶有一個(gè)分級(jí)結(jié)構(gòu)。它集成了名為CM3Core的中心處理器內(nèi)核和先進(jìn)的系統(tǒng)外設(shè)，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)置的中斷控制、存儲(chǔ)器保護(hù)以及系統(tǒng)的調(diào)試和跟蹤功能。這些外設(shè)可進(jìn)行高度配置，允許Cortex-M3處理器處理大范圍的應(yīng)用并更貼近系統(tǒng)的需求。目前Cortex-M3內(nèi)核和集成部件已進(jìn)行了專門的設(shè)計(jì)，用于實(shí)現(xiàn)最小存儲(chǔ)容量、減少管腳數(shù)目和降低功耗。

CortexM3/4系列處理器2。ARM處理器系列

電子信息與電氣工程學(xué)院10六月20242。ARM處理器系列1、通過(guò)提高效率來(lái)提高性能Cortex-M3處理器的核心是基于哈佛架構(gòu)的3級(jí)流水線內(nèi)核，該內(nèi)核集成了分支預(yù)測(cè)，單周期乘法，硬件除法等眾多功能強(qiáng)大的特性；2、快速有效的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)源于簡(jiǎn)易的使用方法Cortex-M3處理器專門針對(duì)快速和簡(jiǎn)單的編程而設(shè)計(jì)，用戶無(wú)需深厚的架構(gòu)知識(shí)或編寫(xiě)任何匯編代碼就可以建立簡(jiǎn)單的應(yīng)用程序；3、針對(duì)敏感市場(chǎng)降低成本和功耗通過(guò)采用非對(duì)齊數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)、原子位操作和Thumb-2指令集，存儲(chǔ)容量的需求得到最小化；4、集成的調(diào)試和跟蹤功能；5、從ARM7升級(jí)為Cortex-M3可獲取更佳的性能和功效。

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ARM部分合作伙伴的部分ARM系列處理器產(chǎn)品:芯片名稱ARM核廠商S3C44B0ARM7TDMISamsungS3C4510ARM7TDMIS3C2410

ARM920TAT91M42800AARM7TDMIAtmelEP73XXARM720TCirrusLogic（凌云）LPC2000ARM7TDMI-SPhilps

PXA255XScaleIntelIXP4XXXScaleTMS320VC5470ARM7+C54TISTM32,LM3SXXCORTEXM3/4STTI2。ARM處理器系列

電子信息與電氣工程學(xué)院10六月20243。ARM處理器結(jié)構(gòu)3.ARM處理器結(jié)構(gòu)1).RISC體系結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的CISC(ComplexInstructionSetComputer,復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī))體系結(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)越來(lái)越復(fù)雜，然而，在CISC指令集的各種指令中，其使用率卻相差懸殊，導(dǎo)致大量資源的閑置和浪費(fèi)。顯然，該結(jié)構(gòu)相對(duì)不太合理。

基于上述原因，1979年美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校提出了RISC(ReducedInstructionSetComputer,精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī))的概念。RISC結(jié)構(gòu)優(yōu)先選取使用頻率最高的簡(jiǎn)單指令，避免復(fù)雜指令；將指令長(zhǎng)度固定，指令格式和尋址方式種類減少；以邏輯控制為主，不用或少用微代碼控制等措施來(lái)達(dá)到使得計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單合理，運(yùn)算速度更高的目的。

電子信息與電氣工程學(xué)院10六月2024ARMRISC體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)為：

采用固定長(zhǎng)度的指令格式，指令歸整、簡(jiǎn)單、尋址方式有2~3種;

使用單周期指令，便于流水線操作執(zhí)行;

大量使用寄存器，數(shù)據(jù)處理指令只對(duì)寄存器進(jìn)行操作，只有Load/Store指令可以訪問(wèn)存儲(chǔ)器，以提高指令的執(zhí)行效率;所有的指令可根據(jù)前面的執(zhí)行結(jié)果決定是否被執(zhí)行，從而提高指令的執(zhí)行效率;可用Load/Store指令批量傳輸數(shù)據(jù)，以提高數(shù)據(jù)的傳輸效率;可在一條數(shù)據(jù)處理指令中同時(shí)完成邏輯處理和移位處理;在循環(huán)處理中使用地址的自動(dòng)增減來(lái)提高執(zhí)行效率。3。ARM處理器結(jié)構(gòu)

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版本1(V1)ARM體系結(jié)構(gòu)版本1對(duì)第一個(gè)ARM處理器進(jìn)行描述，其地址空間是26位，僅支持26位尋址空間，不支持乘法或協(xié)處理器指令?；谠擉w系結(jié)構(gòu)的是第二個(gè)ARM處理器，應(yīng)用在BBC微型計(jì)算機(jī)中的，雖然這種微型計(jì)算機(jī)制造得很少，但它標(biāo)志著ARM成為第一個(gè)商用單片RISC微處理器。它們也應(yīng)用在Acorn內(nèi)部的Archimedes個(gè)人工作站的樣機(jī)開(kāi)發(fā)中。2).ARM體系結(jié)構(gòu)的版本(1).ARM體系結(jié)構(gòu)的基本版本版本1的指令包括:乘法指令之外的基本數(shù)據(jù)處理指令;基于字節(jié),字和多字的存儲(chǔ)器訪問(wèn)操作指令(Load/Store);

子程序調(diào)用指令BL在內(nèi)的跳轉(zhuǎn)指令;完成系統(tǒng)調(diào)用的軟件中斷指令SWI.3。ARM處理器結(jié)構(gòu)

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版本2(V2)

以ARM2為核的Acorn公司的Archimedes和A3000批量銷售，它仍然是26位地址的機(jī)器，但包含了對(duì)32位結(jié)果的乘法指令和協(xié)處理器的支持，ARM2使用了ARM公司現(xiàn)在稱為ARM體系結(jié)構(gòu)版本2的體系結(jié)構(gòu)。版本2a是版本2的變種，ARM3芯片是采用了版本2a和第一片具有片上Cache的ARM處理器，版本2a增加了合并load和store(SWP)指令，并引入了使用協(xié)處理器15作為系統(tǒng)控制協(xié)處理器來(lái)管理Cache。與版本1相比,版本2(2a)增加了下列指令：乘和乘加指令;支持協(xié)處理器的指令;對(duì)于FIQ模式，提供了額外的影子寄存器;

SWP指令及SWPB指令。3。ARM處理器結(jié)構(gòu)

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版本3(V3)版本3的變種版本有版本3G和版本3M。版本3較以前的版本發(fā)生了大的變化，具體的改進(jìn)如下:地址空間擴(kuò)展到了32位，但除了版本3G外的其它版本是向前兼容的，也支持26位的地址空間;分開(kāi)的當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器CPSR(CurrentProgramStatusRegister)和備份的程序狀態(tài)寄存器SPSR(SavedProgramStatusRegister),SPSR用于在程序異常中斷時(shí)保存被中斷的程序狀態(tài);增加了兩種異常模式,使操作系統(tǒng)代碼可以方便地使用數(shù)據(jù)訪問(wèn)中止異常、指令預(yù)取中止異常和未定義指令異常;增加了MRS指令和MSR指令用于完成對(duì)CPSR和SPSR寄存器的讀寫(xiě);修改了原來(lái)的從異常中返回的指令。3。ARM處理器結(jié)構(gòu)

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版本4(V4)與版本3相比，版本4增加了下列指令:有符號(hào)、無(wú)符號(hào)的半字和有符號(hào)字節(jié)的load和store指令;增加了T變種，處理器可以工作于Thumb狀態(tài)，在該狀態(tài)下的指令集是16位的Thumb指令集;增加了處理器的特權(quán)模式。在該模式下，使用的是用戶模式下的寄存器。3。ARM處理器結(jié)構(gòu)

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版本5(V5)版本5主要由兩個(gè)變種版本5T和5TE組成。ARM10是最早支持5T版本的處理器，版本5T是體系結(jié)構(gòu)版本4T的擴(kuò)展集，加入了BLX,CLZ和BRK指令。版本5TE在版本5T的基礎(chǔ)上增加了信號(hào)處理指令集。相比與版本4，版本5的指令集有了如下的化：提高了T變種中ARM/Thumb混合使用的效率;增加前導(dǎo)零記數(shù)(CLZ)指令，該指令可使整數(shù)除法和中斷優(yōu)先級(jí)排隊(duì)操作更為有效;增加了BKPT(軟件斷點(diǎn))指令;為協(xié)處理器設(shè)計(jì)提供了更多的可供選擇的指令;更加嚴(yán)格地定義了乘法指令對(duì)條件碼標(biāo)志位的影響。3。ARM處理器結(jié)構(gòu)

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版本6(V6)

ARM體系版本6是2001年發(fā)布的,新架構(gòu)V6在降低耗電量的同時(shí)還強(qiáng)化了圖形處理性能。通過(guò)追加有效進(jìn)行多媒體處理的SIMD功能,將語(yǔ)音及圖像的處理功能提高到了原機(jī)型的4倍.ARM體系版本6首先在2002年春季發(fā)布的ARM11處理器中使用。除此之外，V6還支持多微處理器內(nèi)核。3。ARM處理器結(jié)構(gòu)

電子信息與電氣工程學(xué)院10六月2024ARM核體系結(jié)構(gòu)ARM1V1ARM2V2ARM2aS,ARM3V2aARM6,ARM600,ARM610V3ARM7,ARM700,ARM710V3ARM7TDMI,ARM710T,ARM720T,ARM740TV4TStrongARM,ARM8,ARM810V4ARM9TDMI,ARM920E,ARM940TV4TARM9E-SV5TEARM10TDMI,ARM1020EV5TEARM11,ARM1156T2,ARM1156T2F-S,…V63。ARM處理器結(jié)構(gòu)

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Thumb指令集(T變種)

Thumb指令集是把32位ARM指令集的一個(gè)子集重新編碼后形成的一個(gè)特殊的16位指令集。由于其16位的指令長(zhǎng)度，使得Thumb指令集可得到比ARM指令集更高的指令代碼。(2).ARM體系結(jié)構(gòu)的演變通常將具有某些特殊功能的ARM體系稱為它的某些變種(Variant).對(duì)于支持Thumb指令的ARM體系版本，一般加字符T來(lái)表示(如V4T)。

目前Thumb指令集有以下兩個(gè)版本:Thumb指令集版本1，此版本作為ARM體系版本V4的T變種；Thumb指令集版本2，此版本作為ARM體系版本V5的T變種。3。ARM處理器結(jié)構(gòu)

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長(zhǎng)乘指令(M變種)長(zhǎng)乘指令是一種生成64位相乘結(jié)果的乘法指令。M變種增加了兩條這樣的長(zhǎng)乘指令:其中一條指令完成32位整數(shù)乘以32位整數(shù)，生成64位整數(shù)的長(zhǎng)乘操作;另一條指令完成32位整數(shù)乘以32位整數(shù)，然后在加上一個(gè)32位整數(shù)，生成64位整數(shù)的長(zhǎng)乘加操作。3。ARM處理器結(jié)構(gòu)

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增強(qiáng)型DSP指令(E變種)

E變種的ARM體系增加了一些增強(qiáng)處理器對(duì)典型DSP算法處理能力的附加指令：幾條新的完成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;

Cache預(yù)取指令PLD;E變種首先在ARM體系版本V5T中使用，用字符E表示;在早期的一些E變種中，未包含雙字讀取指令LDRD，雙字寫(xiě)入指令STRD，協(xié)處理器的寄存器傳輸指令MCRR/MRRC以及Cache預(yù)取指令PLD。這種E變種記作ExP，其中x表示缺少，P代表上述的幾種指令.3。ARM處理器結(jié)構(gòu)

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Java加速器Jazelle(J變種)

ARM的Jazelle技術(shù)是Java語(yǔ)言和先進(jìn)的32位RISC芯片完美結(jié)合的產(chǎn)物。

Jazelle技術(shù)使得Java代碼的運(yùn)行速度比普通的Java虛擬機(jī)提高了8倍，這是因?yàn)镴azelle技術(shù)提供了Java加速功能，大幅的提高了機(jī)器的運(yùn)行性能，而功耗反而降低了80%。

Jazelle技術(shù)使得在一個(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)和中間件以及其它的應(yīng)用程序成為可能。

Jazelle技術(shù)的誕生使得一些必須用到協(xié)處理器和雙處理器的場(chǎng)合可以用單處理器代替，這樣，既保證了機(jī)器的性能，又降低了功耗和成本。

ARM體系版本4TEJ是最早包含了J變種。用字符J表示J變種3。ARM處理器結(jié)構(gòu)

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ARM媒體功能擴(kuò)展(SIMD變種)

ARM的SIMD（SingleInstructionMultipleData）媒體功能擴(kuò)展為這些應(yīng)用系統(tǒng)提供了解決方案。它為包括音頻/視頻處理在內(nèi)的應(yīng)用系統(tǒng)提供了優(yōu)化功能。其主要特點(diǎn)如下：使處理器的音頻/視頻處理的性能提高了2~4倍;可同時(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;用戶可以自定義飽和運(yùn)算的模式;可進(jìn)行兩個(gè)16位操作數(shù)的乘加/乘減運(yùn)算及32位乘以32位的小數(shù)乘加運(yùn)算;同時(shí)8位/16位選擇操作。3。ARM處理器結(jié)構(gòu)

電子信息與電氣工程學(xué)院10六月2024自ARM7TDMI核產(chǎn)生后，ARM體系結(jié)構(gòu)中具有T變種的ARM處理器核可工作于兩種狀態(tài);(1).ARM狀態(tài)。處理器執(zhí)行32位的字對(duì)齊的ARM指令;(2).Thumb狀態(tài)。處理器執(zhí)行16位的、半字對(duì)齊的Thumb指令。

3).ARM處理器的工作狀態(tài)在程序的執(zhí)行過(guò)程中，微處理器可以隨時(shí)在兩種工作狀態(tài)之間切換。處理器工作狀態(tài)的切換不影響處理器的工作模式和相應(yīng)寄存器中的內(nèi)容;

ARM指令集和Thumb指令集都有相應(yīng)的狀態(tài)切換命令;

ARM處理器在開(kāi)始執(zhí)行代碼時(shí)只能處于ARM狀態(tài)。3。ARM處理器結(jié)構(gòu)

電子信息與電氣工程學(xué)院10六月2024ARM處理器工作狀態(tài)的切換方法：(1).進(jìn)入Thumb狀態(tài)：當(dāng)操作數(shù)寄存器的狀態(tài)位(位0)為1時(shí)，可以采用執(zhí)行BX指令的方法，使微處理器從ARM狀態(tài)切換到Thumb狀態(tài)。此外，當(dāng)處理器處于Thumb狀態(tài)時(shí)發(fā)生異常(如IRQ、FIQ（中斷）、Undef、Abort（中止）、SWI（軟中斷）等)，則異常處理返回時(shí)，自動(dòng)切換到Thumb狀態(tài)。(2).進(jìn)入ARM狀態(tài)：當(dāng)操作數(shù)寄存器的狀態(tài)位為0時(shí)，執(zhí)行BX指令時(shí)可以使微處理器從Thumb狀態(tài)切換到ARM狀態(tài)。此外，在處理器進(jìn)行異常處理時(shí)，把PC指針?lè)湃氘惓ＤＪ芥溄蛹拇嫫髦?，并從異常向量地址開(kāi)始執(zhí)行程序，也可以使處理器切換到ARM狀態(tài)。3。ARM處理器結(jié)構(gòu)

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4).ARM處理器的工作模式

ARM處理器支持7種工作模式，該工作模式由當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器(CPSR)的低5位來(lái)定義。CPSR[4:0]模式用途10000用戶(USER)正常的程序執(zhí)行模式10001快速中斷(FIQ)用于高速數(shù)據(jù)傳輸或通道處理10010外部中斷(IRQ)用于通用的中斷處理10011管理(SVC)操作系統(tǒng)使用的保護(hù)模式10111中止(ABT)用于處理器故障、實(shí)現(xiàn)虛擬存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器保護(hù)11011未定義(UND)處理未定義的指令陷阱，支持硬件協(xié)處理器的軟件仿真11111系統(tǒng)(SYS)運(yùn)行具有特權(quán)的操作系統(tǒng)任務(wù)3。ARM處理器結(jié)構(gòu)

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ARM處理器的運(yùn)行模式可以通過(guò)軟件改變，也可以通過(guò)外部中斷或異常處理過(guò)程進(jìn)行切換。

除用戶模式以外，其余的所有6種模式稱為特權(quán)模式,主要用于處理異常和監(jiān)控調(diào)用，在這些模式下，程序可自由地訪問(wèn)系統(tǒng)所有的資源，也可以任意地進(jìn)行處理器模式的切換。大多數(shù)的應(yīng)用程序運(yùn)行在用戶模式下，當(dāng)處理器運(yùn)行在用戶模式下時(shí)，此時(shí)，應(yīng)用程序不能夠訪問(wèn)一些受操作系統(tǒng)保護(hù)的系統(tǒng)資源。應(yīng)用程序也不能直接進(jìn)行處理器模式的切換。如需進(jìn)行處理器模式切換，應(yīng)用程序可以產(chǎn)生異常處理，在異常處理過(guò)程中進(jìn)行處理器模式的切換。用戶模式和系統(tǒng)模式以外的5種又稱為異常模式，常用于處理中斷或異常，以及需要訪問(wèn)受保護(hù)的系統(tǒng)資源等情況。在每一種異常模式下都由一組寄存器，供相應(yīng)的異常處理程序使用，這樣可以保證在進(jìn)入異常模式時(shí)，用戶模式下的寄存器不被破壞。

3。ARM處理器結(jié)構(gòu)

電子信息與電氣工程學(xué)院10六月20245).ARM體系結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器格式(1)ARM支持的數(shù)據(jù)類型

ARM處理器支持6種數(shù)據(jù)類型：8位有符號(hào)和無(wú)符號(hào)字節(jié);16位有符號(hào)和無(wú)符號(hào)半字，它們以2字節(jié)的邊界對(duì)齊;32位有符號(hào)和無(wú)符號(hào)字，它們以4字節(jié)的邊界對(duì)齊。

ARM指令全是32位的字，并且必須以字為單位邊界對(duì)齊；Thumb指令是16位半字，而且必須以2字節(jié)為單位邊界對(duì)齊。在ARM處理器內(nèi)部，所有ARM操作都是面向32位的操作數(shù)；只有數(shù)據(jù)傳送指令支持較短的字節(jié)或半字的數(shù)據(jù)類型。當(dāng)從存儲(chǔ)器調(diào)入一個(gè)字節(jié)或半字時(shí)，依據(jù)指令對(duì)數(shù)據(jù)的操作類型，將該無(wú)符號(hào)或有符號(hào)數(shù)擴(kuò)展為32位，進(jìn)而作為32位數(shù)據(jù)在內(nèi)部進(jìn)行處理。3。ARM處理器結(jié)構(gòu)

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ARM體系結(jié)構(gòu)將存儲(chǔ)器看作是從零地址開(kāi)始的字節(jié)的線性組合。每個(gè)字單元中包含四個(gè)單元或兩個(gè)半字單元，從零字節(jié)到三字節(jié)放置第一個(gè)存儲(chǔ)的字?jǐn)?shù)據(jù)，從第四個(gè)字節(jié)到第七個(gè)字節(jié)放置第二個(gè)存儲(chǔ)的字?jǐn)?shù)據(jù)，依次排列。作為32位的處理器，ARM體系結(jié)構(gòu)所支持的最大尋址空間為4GB(232字節(jié))。

ARM體系結(jié)構(gòu)可以用兩種方式存儲(chǔ)字?jǐn)?shù)據(jù)，稱之為大端格式和小端格式。這兩種方式是根據(jù)最低有效字節(jié)與相鄰較高有效字節(jié)相比，是存放在較低的地址還是較高的地址來(lái)劃分。(2)ARM的存儲(chǔ)器格式3。ARM處理器結(jié)構(gòu)

電子信息與電氣工程學(xué)院10六月2024較高的有效字節(jié)存放在較高的存儲(chǔ)器地址，較低的有效字節(jié)存放在較低的存儲(chǔ)器地址。小端格式：111098765432103124231615870較高的有效字節(jié)存放在較低的存儲(chǔ)器地址，較低的有效字節(jié)存放在較高的存儲(chǔ)器地址。大端格式：891011456701233124231615870低地址高地址084084低地址高地址3。ARM處理器結(jié)構(gòu)

電子信息與電氣工程學(xué)院10六月20246).ARM的寄存器組織

ARM處理器共有37個(gè)32位寄存器，其中31個(gè)為通用寄存器(包括程序寄存器PC)，6個(gè)為狀態(tài)寄存器。37個(gè)寄存器的使用情況由ARM處理器的工作狀態(tài)和工作模式?jīng)Q定。(1)ARM狀態(tài)下的通用寄存器通用寄存器包括R0~R15，可以分為三類：未分組寄存器R0~R7;

分組寄存器R8~R14;

程序計(jì)數(shù)器PC(R15).3。ARM處理器結(jié)構(gòu)

電子信息與電氣工程學(xué)院10六月2024AbortIRQ3。ARM處理器結(jié)構(gòu)

電子信息與電氣工程學(xué)院10六月2024A.未分組寄存器R0~R7在所有的處理器運(yùn)行模式下，對(duì)未分組寄存器的訪問(wèn)都是指向同一個(gè)物理寄存器，未分組寄存器沒(méi)有被系統(tǒng)用于特別的用途，任何可采用通用寄存器的應(yīng)用場(chǎng)合都可使用未分組寄存器，它們是真正在每一個(gè)狀態(tài)下都統(tǒng)一的通用寄存器。因此，在中斷或異常處理進(jìn)行處理器運(yùn)行模式切換時(shí)，由于不同的處理器運(yùn)行模式均使用相同的物理寄存器，如果未加保護(hù)，可能會(huì)造成寄存器中數(shù)據(jù)的破壞。B.分組寄存器R8~R14

對(duì)于分組寄存器，它們每一次所訪問(wèn)的物理寄存器與處理器當(dāng)前的運(yùn)行模式有關(guān)。對(duì)于R8~R12來(lái)說(shuō)，每個(gè)寄存器對(duì)應(yīng)兩個(gè)不同的物理寄存器，當(dāng)使用FIQ模式時(shí)，訪問(wèn)寄存器R8_fiq~R12_fiq；此時(shí)，F(xiàn)IQ處理程序可不必保存和恢復(fù)中斷現(xiàn)場(chǎng)，從而使FIQ中斷的處理過(guò)程更加迅速。當(dāng)使用除FIQ模式以外的其它模式時(shí)，訪問(wèn)的是寄存器R8_usr~R12_usr。3。ARM處理器結(jié)構(gòu)

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對(duì)于寄存器R13和R14來(lái)說(shuō)，每個(gè)寄存器對(duì)應(yīng)6個(gè)不同的物理寄存器，其中的一個(gè)是用戶模式與系統(tǒng)模式共用，另外5個(gè)物理寄存器對(duì)應(yīng)于其它5種不同的運(yùn)行模式。異常模式下對(duì)R13和R14進(jìn)行訪問(wèn)時(shí)，需要特別明確指定其工作模式。寄存器名字構(gòu)成規(guī)則如下：

R13_<mode> R14_<mode>其中，mode為以下幾種模式之一：fiq、irq、svc、abt和und。

R13

寄存器R13在ARM指令中常用作堆棧指針SP，但這只是一種習(xí)慣用法，并沒(méi)有任何指令強(qiáng)制性地使用R13作為堆棧指針，用戶也可使用其它寄存器作為堆棧指針。而在Thumb指令集中，某些指令強(qiáng)制性的要求使用R13作為堆棧指針。3。ARM處理器結(jié)構(gòu)

電子信息與電氣工程學(xué)院10六月2024由于處理器的每種運(yùn)行模式均有自己獨(dú)立的物理寄存器R13，在用戶應(yīng)用程序的初始化部分，一般都要初始化每種模式下的R13，使其指向該運(yùn)行模式的棧空間，這樣，當(dāng)程序的運(yùn)行進(jìn)入異常模式時(shí)，可以將需要保護(hù)的寄存器放入R13所指向的堆棧，而當(dāng)程序從異常模式返回時(shí)，則從對(duì)應(yīng)的堆棧中恢復(fù)，采用這種方式可以保證異常發(fā)生后程序的正常執(zhí)行。

R14

寄存器R14也稱作子程序鏈接寄存器(SubroutineLinkRegister)或鏈接寄存器LR。當(dāng)執(zhí)行BL、BLX子程序調(diào)用指令時(shí)，當(dāng)前的PC將保存在R14寄存器中。每一種異常模式下都有自己的物理R14，對(duì)應(yīng)的分組寄存器R14_svc、R14_irq、R14_fiq、R14_abt和R14_und用來(lái)存放當(dāng)前子程序的返回地址。但執(zhí)行完子程序后，只要把R14的值復(fù)制到程序寄存器PC中，子程序即可返回。3。ARM處理器結(jié)構(gòu)

電子信息與電氣工程學(xué)院10六月2024C.程序寄存器PC(R15)

寄存器R15被用作程序寄存器PC，它雖然可作為一般的通用寄存器來(lái)使用，但由于R15的特殊性，即R15值的改變將引起程序程序順序的變化。由于ARM狀態(tài)下指令總是字對(duì)齊的，所以R15值的位[1:0]為0，位[31:2]保存的是地址。而在Thumb狀態(tài)下指令是半字對(duì)齊的，R15值的位[0]為0，位[31:1]保存的是地址。特別需要指出，由于ARM處理器采用多級(jí)流水線技術(shù)，因此保存在R15中的程序地址并不是當(dāng)前指令的地址。對(duì)于三級(jí)流水線，PC總是指向下兩條指令的地址，因此PC保存的是當(dāng)前指令地址值加8；對(duì)于五級(jí)流水線，PC保存的是當(dāng)前指令地址值加12。對(duì)于同一流水線結(jié)構(gòu)的ARM處理器，所有指令是統(tǒng)一的，即統(tǒng)一采用當(dāng)前指令地址加8，或統(tǒng)一采用當(dāng)前指令地址加12。3。ARM處理器結(jié)構(gòu)

電子信息與電氣工程學(xué)院10六月2024

當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器(CPSR)在所有處理器模式下都可被訪問(wèn)。它包括條件標(biāo)志位、中斷禁止位、當(dāng)前處理器模式標(biāo)志位，以及其它一些相關(guān)的控制和狀態(tài)信息。在每一種異常模式下又都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的物理狀態(tài)寄存器，稱為SPSR(SavedProgramStatusRegister，程序狀態(tài)保存寄存器)，當(dāng)異常發(fā)生時(shí)，SPSR用于保存CPSR的當(dāng)前值，從異常退出時(shí)則可由SPSR來(lái)恢復(fù)CPSR。

由于用戶模式和系統(tǒng)模式不屬于異常模式，它們沒(méi)有SPSR,當(dāng)在這兩種模式下訪問(wèn)SPSR，結(jié)果是未知的。程序狀態(tài)寄存器的格式如下：(2)ARM狀態(tài)寄存器3。ARM處理器結(jié)構(gòu)

電子信息與電氣工程學(xué)院10六月2024(3)Thumb狀態(tài)下的寄存器組織

Thumb狀態(tài)下的寄存器集是ARM狀態(tài)下寄存器集的一個(gè)子集，程序可以直接訪問(wèn)8個(gè)通用寄存器（R7~R0）、程序計(jì)數(shù)器（PC）、堆棧指針（SP）、鏈接寄存器（LR）和CPSR。同時(shí)，在每一種特權(quán)模式下都有一組SP、LR和SPSR。Thumb狀態(tài)和ARM狀態(tài)下的寄存器關(guān)系:

Thumb狀態(tài)下和ARM狀態(tài)下的R0~R7是一致的;

Thumb狀態(tài)下和ARM狀態(tài)下的CPSR和SPSR是一致的;

Thumb狀態(tài)下的SP對(duì)應(yīng)于ARM狀態(tài)下的R13;Thumb狀態(tài)下的LR對(duì)應(yīng)于ARM狀態(tài)下的R14;Thumb狀態(tài)下的程序計(jì)數(shù)器PC對(duì)應(yīng)于ARM狀態(tài)下的R15.訪問(wèn)Thumb狀態(tài)下的高位寄存器(Hi-registers)

在Thumb狀態(tài)下，高位寄存器R8~R15并不是標(biāo)準(zhǔn)寄存器集的一部分，但可使用匯編語(yǔ)言程序受限制的訪問(wèn)這些寄存器，將其用作快速的暫存器。3。ARM處理器結(jié)構(gòu)

電子信息與電氣工程學(xué)院10六月2024AbortIRQ3。ARM處理器結(jié)構(gòu)

電子信息與電氣工程學(xué)院10六月20243。ARM處理器結(jié)構(gòu)

電子信息與電氣工程學(xué)院10六月20247).ARM體系的異常

在ARM體系中，通常有以下三種方式控制程序的執(zhí)行流程:在正常程序執(zhí)行過(guò)程中，每執(zhí)行一條ARM指令，程序寄存器PC的值加4個(gè)字節(jié)；每執(zhí)行一條Thumb指令，程序寄存器PC的值加2個(gè)字節(jié)。整個(gè)過(guò)程按照順序執(zhí)行。通過(guò)跳轉(zhuǎn)指令，程序可以跳轉(zhuǎn)到特定的地址標(biāo)號(hào)處執(zhí)行，或者跳轉(zhuǎn)到特定的子程序處執(zhí)行。當(dāng)異常中斷發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行完當(dāng)前指令后，將跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的異常中斷處理程序處執(zhí)行。當(dāng)異常中斷處理程序執(zhí)行完畢后，程序返回到發(fā)生中斷的指令的下條指令處執(zhí)行。

ARM體系結(jié)構(gòu)中的異常與8位/16位體系結(jié)構(gòu)的中斷有很大的相似之處，但異常與中斷的概念并不完全等同。

中斷可在任何時(shí)候發(fā)生，與CPU正在執(zhí)行什么指令無(wú)關(guān)，中斷主要由I/O設(shè)備、處理器時(shí)鐘或定時(shí)器等硬件引發(fā)，可以被允許或取消。而異常是由于CPU執(zhí)行了某些指令引起的，可以包括存儲(chǔ)器存取違規(guī)、除0或者特定調(diào)試指令等，內(nèi)核也將系統(tǒng)服務(wù)視為異常。3。ARM處理器結(jié)構(gòu)

電子信息與電氣工程學(xué)院10六月2024(1)ARM體系結(jié)構(gòu)所支持的異常類型

異常類型向量地址優(yōu)先級(jí)具體含義復(fù)位0x000000001當(dāng)處理器的復(fù)位電平有效時(shí)，產(chǎn)生復(fù)位異常，程序跳轉(zhuǎn)到復(fù)位異常處理程序處執(zhí)行。未定義指令0x000000046當(dāng)ARM處理器或協(xié)處理器遇到不能處理的指令時(shí)，產(chǎn)生