ARM架構(gòu)的嵌入式微處理器課件

1由於未來(lái)的希望必定在於新技術(shù)條件下高附加值的產(chǎn)品，多媒體應(yīng)用和網(wǎng)路互連是其中必備的因素，而開放操作系統(tǒng)的應(yīng)用也可能是一個(gè)顯著的特徵。這些條件正是8位體系結(jié)構(gòu)所難以逾越的障礙；也就正好成為選擇32位嵌入式系統(tǒng)的主要理由所在。所有的ARM晶片都在內(nèi)核上保持了高度的相容性，也使得通用工具的實(shí)現(xiàn)成為可能。所有ARMCPU內(nèi)核裏面都有一個(gè)EmbeddedICE邏輯模組，用於採(cǎi)集CPU匯流排信號(hào)，而對(duì)EmbeddedICE以及CPU執(zhí)行單元的通信則是通過(guò)掃描線進(jìn)行，所有的掃描線受測(cè)試訪問(wèn)控制端口（TAP）控制，並通過(guò)晶片JTAG介面連接，故可保持不同CPU之間的介面控制相容性。調(diào)試工具只要支持TAP端口訪問(wèn)，就能進(jìn)行ARM的系統(tǒng)調(diào)試。

3.1ARM架構(gòu)的嵌入式微處理器232位體系結(jié)構(gòu)的性能具有如下優(yōu)勢(shì)：（1）尋址空間這是8位體系結(jié)構(gòu)先天性的缺陷，32位體系結(jié)構(gòu)目前就基本不受其地址空間的限制了。在ARM的體系結(jié)構(gòu)裏，所有的資源，比如記憶體、控制寄存器、IO端口等都是在有效地址空間裏統(tǒng)一編址的，方便了程式在不同晶片間的移植。（2）運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理ARM採(cǎi)用了先進(jìn)的CPU設(shè)計(jì)理念，多匯流排介面（哈佛結(jié)構(gòu)）、多級(jí)流水線、高速緩存、數(shù)據(jù)處理增強(qiáng)等。幾乎所有的通信協(xié)議棧都能在32位CPU下麵輕鬆實(shí)現(xiàn)。32位體系結(jié)構(gòu)的性能提高，使得C、C++、Java等高級(jí)語(yǔ)言得到了廣泛的應(yīng)用空間。多數(shù)的ARM晶片裏面都包含有DMA控制器，這樣就進(jìn)一步提高了整個(gè)晶片的數(shù)據(jù)能力。（3）操作系統(tǒng)的支持如果一個(gè)系統(tǒng)有多任務(wù)的調(diào)度、圖形化的人機(jī)介面、檔管理系統(tǒng)、網(wǎng)路協(xié)議等需求，那麼操作系統(tǒng)將成為一個(gè)必然的選擇。複雜的操作系統(tǒng)在多進(jìn)程管理中需要硬體記憶體保護(hù)單元（MPU）或管理單元（MMU）的支持，ARM的很多CPU有這些支持，可運(yùn)行Linix、WinCE和VxWorks等眾多操作系統(tǒng)。象ARM7DMI既沒(méi)有MMU也沒(méi)有MPU，但是仍然可以支持uCLinux和uc/OS等操作系統(tǒng)。33.1.1基於指令集體系結(jié)構(gòu)的分類版本ARM架構(gòu)自誕生至今，發(fā)展並定義了6種不同的版本：V1版架構(gòu):只在原型機(jī)ARM1出現(xiàn)過(guò)。其基本性能如下：基本的數(shù)據(jù)處理指令（無(wú)乘法）；位元組、半字和字的Load/Store指令；轉(zhuǎn)移指令，包括副程式調(diào)用及鏈接指令；軟體中斷指令；尋址空間64MB（226）。V2版架構(gòu):在V1版上進(jìn)行了擴(kuò)充，例如ARM2和ARM3架構(gòu)，並增加了以下功能：乘法和乘加指令；支持協(xié)處理器操作指令；快速中斷模式；SWP/SWPB的最基本存儲(chǔ)其餘寄存器交換指令；尋址空間64MB。V3版架構(gòu):V3架構(gòu)對(duì)ARM體系結(jié)構(gòu)作了較大的改動(dòng)，把尋址空間增至32位，增加了當(dāng)前程式狀態(tài)寄存器CPSR和存儲(chǔ)程式狀態(tài)寄存器SPSR，以便對(duì)異常的處理。增加了中止和未定義2種處理模式。ARM6就是採(cǎi)用該版架構(gòu)。4

V4版架構(gòu):它在V3版架構(gòu)上作了進(jìn)一步擴(kuò)充，使ARM使用更加靈活。ARM7、ARM8、ARM9都採(cǎi)用該版結(jié)構(gòu)。增加功能有符號(hào)化和半符號(hào)化半字及符號(hào)化位元組的存取指令；增加了16位的Thumb指令集；完善了軟體中斷SWI指令的功能；處理器系統(tǒng)模式引進(jìn)特權(quán)方式時(shí)使用用戶寄存器操作；把一些未使用的指令空間撲獲為未定義指令。V5版架構(gòu)：ARM10

和XScale都採(cǎi)用該版架構(gòu)。新增指令有：帶有連接和交換的轉(zhuǎn)移BLX指令；計(jì)數(shù)前導(dǎo)零CLZ指令；BBK中斷指令；增建了數(shù)字信號(hào)處理指令；為協(xié)處理器增加了更多可選擇的指令。V6版新架構(gòu)是在低功耗的同時(shí)，還強(qiáng)化了圖形處理性能，追加有效進(jìn)行多媒體處理的SIMD功能。於2002年推出，ARM11採(cǎi)用該架構(gòu)，具體新增加了以下功能：THUMBTM-35%代碼壓縮；DSP擴(kuò)充-高性能定點(diǎn)DSP功能；JazelleTM-Jova性能優(yōu)化，可提高8倍；Media擴(kuò)充-音/視頻性能優(yōu)化，可提高4倍。

另外還支持多微處理器內(nèi)核。51）系列產(chǎn)品分類ARM處理器當(dāng)前有5個(gè)產(chǎn)品系列：ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10和ARM11。進(jìn)一步的產(chǎn)品來(lái)自於合作夥伴，例如IntelXscale微體系結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品。ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10是4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。ARM11是第5個(gè)產(chǎn)品系列，是專門為安全設(shè)備而設(shè)計(jì)的。性能高達(dá)1200MIPS（Xscale微體系結(jié)構(gòu)），功耗測(cè)量為μW/MHz，並且所有體系結(jié)構(gòu)相容。3.1.2ARM微處理器系列產(chǎn)品及性能簡(jiǎn)介62）ARM嵌入式微處理器性能簡(jiǎn)介ARM公司是嵌入式RISC處理器的知識(shí)產(chǎn)權(quán)IP供應(yīng)商，它為ARM架構(gòu)處理器提供了ARM處理器內(nèi)核（如ARM7TDMI等）和ARM處理器核（如ARM720T等）。一般處理器核是在最基本的處理器內(nèi)核基礎(chǔ)上增加了Cache、記憶體管理單元MMU、協(xié)處理器C15、先進(jìn)微控制器匯流排架構(gòu)AMBA介面以及EMT宏單元等部件，這樣就構(gòu)成了ARM處理器核。由半導(dǎo)體公司在上述的處理器內(nèi)核和處理器核的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)，嵌入各種週邊和處理部件，形成各種嵌入式微處理器MPU。例如：Intel公司：PXA255系列微處理器（採(cǎi)用XScale核）；TI公司：OMAP5910微處理器，（採(cǎi)用ARM+DSP雙核）；Motorola公司：MX1微處理器MPU（ARM922T核）；ATMEL公司:AT91系列MPU（採(cǎi)用ARM7TDMI內(nèi)核、ARM920T核）；Philips公司：IPC2200系列（ARM7TDMI內(nèi)核）；等等。7ARM處理器內(nèi)核/處理器核的分類處理器內(nèi)核/整數(shù)內(nèi)核(ProcessorCore/IntegerCore)：ARM7TDMI,ARM9TDMI,ARM9E-S，ARM10TDMI，ARM10E等。ARMCPU處理器核(ARMCPUCores)：ARM710T/720T/740T,ARM920T/940T,ARM946E-S,ARM966E-S,ARM1020E等。8（1）ARM7T和ARM7EFamilyUnifiedCache記憶體管理流水線級(jí)別ThumbDSPJazelleARM7TDMI無(wú)無(wú)3有無(wú)無(wú)ARM7TDMI-S無(wú)無(wú)3有無(wú)無(wú)ARM710T/720T8kMMU3有無(wú)無(wú)ARM740T8k或4kProtectionUnit3有無(wú)無(wú)ARM7EJ-S無(wú)無(wú)3有有有9ARM7微處理器系列主要特點(diǎn)

ARM7微處理器系列為低功耗的32位RISC處理器，最適合用於對(duì)價(jià)位和功耗要求較高的消費(fèi)類應(yīng)用。其具有如下特點(diǎn)：具有嵌入式ICE-RT邏輯，調(diào)試方便。極低的功耗（100mW左右），適合對(duì)功耗要求較高的應(yīng)用，如可攜式產(chǎn)品。能夠提供0.9MIPS/MHZ的三級(jí)流水線結(jié)構(gòu)。

相容16位Thumb指令集；對(duì)操作系統(tǒng)的支持廣泛，包括WinCE、Linux等；指令系統(tǒng)與ARM9、ARM10E系列相容，便於用戶的產(chǎn)品升級(jí)換代；主頻通常為20~100MHZ。速度為0.9MIPS/MHz。

ARM7TMDI是目前使用最廣泛的32位嵌入式RISC處理器，屬低端ARM處理器內(nèi)核。主要性能：工藝0.35um（新近0.25um）、電壓3.3V（新近1.2v）、時(shí)鐘20~133MHZ、功耗87mW。10ARM微處理器尾碼命名的含義標(biāo)誌含義說(shuō)明T支持Thumb指令集Thumb指令集版本1：ARMv4TThumb指令集版本2：ARMv5TThumb-2：ARMv6TD片上調(diào)試DebugM支持長(zhǎng)乘法32位乘32位得到64位，32位的乘加得到64位IEmbeddedICE

線上仿真EDSP指令增加了DSP演算法處理器指令：16位乘加指令，飽和的帶符號(hào)數(shù)的加減法，雙字?jǐn)?shù)據(jù)操作，cache預(yù)取指令JJava加速器Jazelle提高java代碼的運(yùn)行速度S可綜合提供VHDL或Verilog語(yǔ)言設(shè)計(jì)檔11（2）ARM9FamilyCache記憶體管理流水線級(jí)別ThumbDSPJazelleARM9TDMI無(wú)無(wú)5有無(wú)無(wú)ARM920T16K/16kMMU5有無(wú)無(wú)ARM922T8k/8kMMU5有無(wú)無(wú)ARM940T4k/4kProtectionUnit5有無(wú)無(wú)12ARM9微處理器系列主要特點(diǎn)ARM9系列微處理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能，在相同的工藝下其性能是ARM7的2倍，具有以下特點(diǎn)：5級(jí)整數(shù)流水線，工作頻率一般為200MHz左右，提供1.1MIPS/MHZ的哈佛結(jié)構(gòu)；支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集；支持32位的高速AMBA匯流排介面；

全性能的MMU，支持包括WinCE、Linux等操作系統(tǒng)，MPU支持即時(shí)操作系統(tǒng)。支持?jǐn)?shù)據(jù)Cache和指令Cache，具有更高的指令和數(shù)據(jù)處理能力。ARM9是低價(jià)、低功耗、高性能系統(tǒng)處理器。典型產(chǎn)品ARM9TDMI主要性能：工藝0.25um（新近0.18um）、電壓2.5V（新近1.2v）、時(shí)鐘0-200MHZ、功耗150mW。

ARM9系列主要用於無(wú)線設(shè)備、儀器儀錶、安全系統(tǒng)、機(jī)頂盒、高端印表機(jī)、數(shù)字照相機(jī)和數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等。

13ARM9EFamilyCache記憶體管理流水線級(jí)別ThumbDSPJazelleARM9E-S無(wú)無(wú)5有有無(wú)ARM946E-S4k-1M/4k-1MProtectionUnit5有有無(wú)ARM966E-S無(wú)無(wú)5有有無(wú)ARM968E-S無(wú)無(wú)5有有無(wú)ARM9EJ-S無(wú)無(wú)5/6有有有ARM926EJ-S14k-128k/4k-128kMMU5/6有有有14ARM9E微處理器系列主要特點(diǎn)ARM9E系列微處理器為綜合型處理器，使用單一的處理器內(nèi)核提供了微處理器、DSP、Java應(yīng)用系統(tǒng)的解決方案，極大地減少了晶片的面積和系統(tǒng)的複雜程度。具有以下特點(diǎn)：支持DSP指令集，適合於需要高速數(shù)字信號(hào)處理的場(chǎng)合；5級(jí)整數(shù)流水線；最高主頻可達(dá)300MIPS；支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集；支持32位的高速AMBA匯流排介面；支持VFP9浮點(diǎn)處理協(xié)處理器全性能的MMU，支持包括WinCE、Linux等操作系統(tǒng)，MPU支持即時(shí)操作系統(tǒng)?！裰С?jǐn)?shù)據(jù)Cache和指令Cache，具有更高的指令和數(shù)據(jù)處理能力。

ARM9E系列主要用於下一代無(wú)線設(shè)備、成像設(shè)備、工業(yè)控制、存儲(chǔ)設(shè)備、數(shù)字消費(fèi)品和網(wǎng)用場(chǎng)合。

15（3）ARM10E和ARM10TFamilyARM10EJ-S無(wú)無(wú)6有有有ARM1026EJ-S0,4-128k/0,4-128kMMU6有有有Cache記憶體管理流水線級(jí)別ThumbDSPJazelleARM10E無(wú)無(wú)6有有無(wú)ARM1020E32k/32kMMU6有有無(wú)ARM1022E16k/16kMMU6有有無(wú)ARM10TDMI無(wú)無(wú)6有無(wú)無(wú)ARM1020T32k/32kMMU6有無(wú)無(wú)16ARM10E微處理器系列主要特點(diǎn)ARM10E系列微處理器由於採(cǎi)用了新的體系結(jié)構(gòu)，與同等的ARM9處理器相比較，在同樣的時(shí)鐘頻率下，性能提高了近50%，同時(shí)又大大減少了晶片的功耗，在相同的工藝下其性能是ARM9的2倍。具有以下特點(diǎn)：支持DSP指令集，適合於需要高速數(shù)字信號(hào)處理的場(chǎng)合；6級(jí)整數(shù)流水線；工作頻率一般為400MHz左右；支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集；支持32位的高速AMBA匯流排介面；支持VFP10浮點(diǎn)處理協(xié)處理器；內(nèi)嵌並行讀/寫操作部件；全性能的MMU，支持包括WinCE、Linux等操作系統(tǒng)，MPU支持即時(shí)操作系統(tǒng)。支持?jǐn)?shù)據(jù)Cache和指令Cache，具有更高的指令和數(shù)據(jù)處理能力。

ARM10E系列主要用於下一代無(wú)線設(shè)備、成像設(shè)備、工業(yè)控制、存儲(chǔ)設(shè)備、數(shù)字消費(fèi)品和網(wǎng)用場(chǎng)合。

17（4）ARM11FamilyCache記憶體管理流水線級(jí)別ThumbDSPJazelle浮點(diǎn)運(yùn)算ARM1136J-S4-64kMMU8有有有無(wú)ARM1136JF-S4-64kMMU8有有有有ARM1156T2-S可配置9Thumb-2有無(wú)無(wú)ARM1156T2F-S可配置9Thumb-2有無(wú)有18

ARM11是採(cǎi)用ARMV6結(jié)構(gòu)，內(nèi)部具有8級(jí)流水線處理、動(dòng)態(tài)分支預(yù)測(cè)與返回堆疊。在0.13um工藝下，ARM11TM的運(yùn)行頻率高達(dá)500-1000Mhz，運(yùn)算速度一般為1000DMIPS。

ARM11中另一個(gè)重要的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，是靜、動(dòng)組合的跳轉(zhuǎn)予判。ARM11包含一個(gè)64位端口、4種狀態(tài)的跳轉(zhuǎn)目標(biāo)地址緩存。新的ARM11支持SIMD指令，可使某些演算法的運(yùn)算的速度提高2-3倍。目前ARM公佈了四個(gè)新的ARM11系列微處理器內(nèi)核，分別是ARM1156T2-S內(nèi)核、ARM1156T2F-S內(nèi)核、ARM1176JZ-S內(nèi)核、ARM1176JZF-S內(nèi)核。19（5）XScale

結(jié)構(gòu) Intel公司發(fā)展了新一代代微處理器體系結(jié)構(gòu)就是XScale處理器。XScale處理器是基於ARMv5TE（第5版）體系結(jié)構(gòu)所設(shè)計(jì)的，具有協(xié)處理器介面，可以直接擴(kuò)展DSP處理器。目前已使用在數(shù)字移動(dòng)電話、個(gè)人數(shù)字助理和網(wǎng)路產(chǎn)品等場(chǎng)合。XScale處理器是目前主要推廣的一款A(yù)RM處理器。基於XScalePXA250微處理器性能如下:內(nèi)核工作頻率：100~400MHZ；I-Cache32KB和D-Cache32KB；I-MMU+D-MMU（各32路變換後備緩衝器TLB快表）；7/8級(jí)流水線

系統(tǒng)記憶體介面：100MHZSDRAM；4~256MBSDRAM；支持16~256MBDRAM；4個(gè)SDRAM區(qū)，每個(gè)區(qū)支持64MB記憶體；支持2個(gè)PCMCIA/CF卡插槽。週邊介面：具有16個(gè)通道的DMA控制器；LCD控制器（支持被動(dòng)DSTN和主動(dòng)TFT顯示，最大解析度800*600*16；系統(tǒng)集成模組（GPIO、中斷控制器、PWM）；USB，3個(gè)UART，紅外（FIR）和I2C匯流排介面及多媒體通信口。20（6）ARM和DSP雙核微處理器簡(jiǎn)介TI公司的OMAP5910處理器是一款具有DSP（TMS320C54X）+RISC（ARM7TDMI核）的雙核定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)運(yùn)算的微處理器。其具有高速度、低功耗，並提高了編程的靈活性，有利於對(duì)產(chǎn)品的軟硬體升級(jí)，用於實(shí)現(xiàn)就有特殊功能的產(chǎn)品。主要特性如下：帶有72K*16集成SRAM的16位低功耗DSP使工作頻率可達(dá)100MHZ；集成了常見(jiàn)的DSP子系統(tǒng)週邊部件；帶有16KB集成SRAM和ARM7TDMI微處理器核，使工作頻率可高達(dá)47.5MHZ。集成的MCU子系統(tǒng)週邊部件（UART/irDA介面、串行週邊介面SPI、36個(gè)I/O引腳、IIC介面、2個(gè)通用定時(shí)器、1個(gè)看門狗定時(shí)器、中斷控制器、支持Flach/SRAM/SDRAM/ROM的外部記憶體介面等）21（7）PowerPC架構(gòu)微處理器簡(jiǎn)介PowerPC架構(gòu)的特點(diǎn)是可伸縮性好，方便靈活。PowerPC處理器品種很多，既有通用的處理器，又有嵌入式控制器和內(nèi)核，應(yīng)用範(fàn)圍非常廣泛，從高端的工作站、伺服器到桌面電腦系統(tǒng)，從消費(fèi)類電子產(chǎn)品到大型通信設(shè)備等各個(gè)方面。目前PowerPC獨(dú)立微處理器與嵌入式微處理器的主頻從25MHz~700MHz不等，它們的能量消耗、大小、整合程度、價(jià)格差異懸殊，主要產(chǎn)品模組有主頻350MHz~700MHzPowerPC750CX和750CXe以及主頻400MHz的PowerPC440GP等。22PowerPC系列-MPC55532位嵌入式處理器,其特點(diǎn)：帶有浮點(diǎn)單元的PowerPC內(nèi)核26K位元組的快速RAM和6K位元組的TPU微碼RAM5V編程電壓的448K位元組的flashEEPROM5VI/O系統(tǒng)串行系統(tǒng)：基於佇列的串行多通道模組，兩個(gè)CAN2.0B控制器模組50通道定時(shí)器系統(tǒng)：雙定時(shí)處理單元（TPU3），模組化I/O系統(tǒng)32個(gè)模擬量輸入：兩個(gè)基於佇列的A/D轉(zhuǎn)換器（QADC64）272引腳的PBGA封裝工作頻率40MHz，－40℃～125℃，雙電源供電23（8）典型的嵌入式處理器（中國(guó)）ARM進(jìn)入中國(guó)幾年來(lái)，已經(jīng)與中興、華為、東南大學(xué)、上海積體電路設(shè)計(jì)中心、中芯國(guó)際和大唐電信簽訂了技術(shù)授權(quán)協(xié)議。國(guó)內(nèi)的微處理器系列有：方舟系列：RISC技術(shù)應(yīng)用：網(wǎng)路、終端、工控方舟1號(hào)性能166MHz

功耗 1.2瓦@166MHz

工藝 0.25微米CMOS，1層多晶矽，5層金屬封裝 HS-BGA，272個(gè)管腳，27mm*27mm方舟2號(hào)性能400MHz，

功耗 360mW@400MHz

工藝 0.18微米CMOS，1層多晶矽，6層金屬封裝 PBGA，304個(gè)管腳，23mm*23mm龍芯系列是神州龍芯公司推出的兼顧通用和嵌入式微處理器特點(diǎn)的新一代32微處理器。採(cǎi)用0.18微米CMOS工藝製造，平均功耗0.4W。243.1.3ARM微處理器體系結(jié)構(gòu)

1）ARM微處理器結(jié)構(gòu)特徵（1）ARM微處理器的工作狀態(tài)從編程的角度看，ARM微處理器的工作狀態(tài)一般有兩種，並可在兩種狀態(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。

（2）ARM體系結(jié)構(gòu)的記憶體格式記憶體格式是指字、半字、位元組在記憶體中存放的格式，也反映了它們之間的關(guān)係。具體包括有：大端格式：被存放字?jǐn)?shù)據(jù)的高位元組存儲(chǔ)在存儲(chǔ)系統(tǒng)的低地址中，而被存放的字?jǐn)?shù)據(jù)的低位元組則存放在存儲(chǔ)系統(tǒng)的高地址中。小端格式：與大端存儲(chǔ)格式相反，在小端存儲(chǔ)格式中，存儲(chǔ)系統(tǒng)的低地址中存放的是被放字?jǐn)?shù)據(jù)中的低位元組內(nèi)容，存儲(chǔ)系統(tǒng)的高地址存放的是被存字?jǐn)?shù)據(jù)中的高位元組內(nèi)容。25

首先對(duì)字（Word）、半字（Half-Word）、位元組（Byte）的概念作一個(gè)說(shuō)明：字（Word）：在ARM體系結(jié)構(gòu)中，字的長(zhǎng)度為32位，而在8位/16位處理器體系結(jié)構(gòu)中，字的長(zhǎng)度一般為16位，請(qǐng)注意區(qū)分。半字（Half-Word）：在ARM體系結(jié)構(gòu)中，半字的長(zhǎng)度為16位，與8位/16位處理器體系結(jié)構(gòu)中字的長(zhǎng)度一致。位元組（Byte）：在ARM體系結(jié)構(gòu)和8位/16位處理器體系結(jié)構(gòu)中，位元組的長(zhǎng)度均為8位。ARM體系結(jié)構(gòu)使用232個(gè)8位位元組的單一、線性地址空間，位元組地址為0—232-1；也可以將地址空間看作為由230個(gè)32位的字組成，字地址可被4整除，且按字對(duì)準(zhǔn)。也可以看作成由231個(gè)16位半字組成。26

（3）處理器模式ARM微處理器支持7種運(yùn)行模式，分別為：─用戶模式（USR）：ARM處理器正常的程式執(zhí)行狀態(tài)─快速中斷模式（FIQ

）：用於高速數(shù)據(jù)傳輸或通道處理用於快中斷服務(wù)程式。當(dāng)處理器的快速中斷請(qǐng)求引腳有效，且CPSR（6位）中的F位為0時(shí)，產(chǎn)生FIQ異常。─外部中斷模式（IRQ

）：用於通用的中斷處理，當(dāng)處理器的外部中斷請(qǐng)求引腳有效，且CPSR（7位）中的I位為0時(shí)，產(chǎn)生IRQ異常。系統(tǒng)的外設(shè)可通過(guò)該異常請(qǐng)求中斷服務(wù)。─管理模式（SVE）：操作系統(tǒng)使用的保護(hù)模式。用於軟體中斷SWI指令和重啟（複位），一般操作系統(tǒng)運(yùn)行在該模式。─指令終止模式(abt)：當(dāng)指令預(yù)取終止時(shí)進(jìn)入該模式。27

─數(shù)據(jù)訪問(wèn)終止模式(abt)：當(dāng)數(shù)據(jù)訪問(wèn)終止時(shí)進(jìn)入該模式，可用於虛擬存儲(chǔ)及存儲(chǔ)保護(hù)。若處理器數(shù)據(jù)訪問(wèn)指令的地址不存在，或該地址不允許當(dāng)前指令訪問(wèn)時(shí)，產(chǎn)生數(shù)據(jù)中止異常。─系統(tǒng)模式（SYS）：運(yùn)行具有特權(quán)的操作系統(tǒng)任務(wù)，和用戶模式共用寄存器，但是許可權(quán)比用戶模式高。－未定義指令（UND）：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)生未定義指令異常?？墒褂迷摦惓C(jī)制進(jìn)行軟體仿真，即用軟體來(lái)模擬硬體功能，比如浮點(diǎn)運(yùn)算。282）ARM處理器的寄存器如ARM7處理器總共有37個(gè)寄存器被分為若干個(gè)組（BANK）：

30個(gè)通用寄存器

6個(gè)狀態(tài)寄存器

1個(gè)專用於記錄當(dāng)前狀態(tài)

5個(gè)專用於記錄狀態(tài)切換前的狀態(tài)

1個(gè)程式計(jì)數(shù)器PC同時(shí)ARM處理器又有7種不同的處理器模式，在每一種模式下都有一組相應(yīng)的寄存器與之對(duì)應(yīng)。即在每一種處理器模式下，可訪問(wèn)的寄存器包括15個(gè)通用寄存器（R0~R14）、1至2個(gè)狀態(tài)寄存器和程式計(jì)數(shù)器。在使用的寄存器中，有些是公用的、有些是獨(dú)立使用的。29ARM的寄存器組織Ⅰ30

ARM的寄存器組織Ⅱ（1）通用寄存器:包括R0～R15，以及程式計(jì)數(shù)器PC。當(dāng)C和彙編互相調(diào)用時(shí)，R0-R3用來(lái)傳遞函數(shù)參數(shù)，可記為a0-a3。R0～R7稱為不分組寄存器；即在所有處理器模式下，他們都可被同樣訪問(wèn)，沒(méi)有體系結(jié)構(gòu)所隱含的特殊用途。R8～R14稱為分組寄存器；意味著對(duì)它們的訪問(wèn)與當(dāng)前處理器的模式有關(guān)（不同模式下具有不同的功能）。例如：R8～R12有兩組物理寄存器。一組屬於快速模式(R8_fiq～R12_fiq），另一組屬於其他模式(R8_usr~R12_usr)；R13和R14有6組物理寄存器。其中只在用戶模式和系統(tǒng)模式共用一組，其他模式下都是專用的。寄存器R13通常作為堆疊指針（SP）；寄存器R14常用作程式連接寄存器（LR）；寄存器R15，又稱為程式計(jì)數(shù)器PC

。除了User和System模式外，各種模式都有自己獨(dú)立的R13和R1431ARM的寄存器組織Ⅲ（1）（2）狀態(tài)寄存器:當(dāng)前程式狀態(tài)寄存器CPSR，可以在任何工作模式下被訪問(wèn)；程式狀態(tài)備份寄存器SPSR，只有在異常模式下，才能被訪問(wèn)；32ARM的寄存器組織Ⅲ（2）條件標(biāo)誌位標(biāo)誌位含

義N當(dāng)兩個(gè)補(bǔ)數(shù)表示的帶符號(hào)數(shù)運(yùn)算時(shí)，N=1表示運(yùn)算的結(jié)果為負(fù)數(shù)；N=0表示運(yùn)算的結(jié)果為正數(shù)或零；ZZ=1表示運(yùn)算的結(jié)果為零；Z=0表示運(yùn)算的結(jié)果不為零；C有3種情況會(huì)改變C的值：加法運(yùn)算（包括比較指令CMN）：當(dāng)運(yùn)算結(jié)果產(chǎn)生了進(jìn)位時(shí)（無(wú)符號(hào)數(shù)上溢出），C=1，否則C=0。減法運(yùn)算（包括比較指令CMP）：當(dāng)運(yùn)算時(shí)產(chǎn)生了借位（無(wú)符號(hào)數(shù)下溢出），C=0，否則C=1。對(duì)於包含移位操作的非加/減運(yùn)算指令，C為移出值的最後一位。V對(duì)於加/減法運(yùn)算指令，當(dāng)運(yùn)算元和運(yùn)算結(jié)果為二進(jìn)位的補(bǔ)數(shù)表示的帶符號(hào)數(shù)時(shí)，V=1表示符號(hào)位溢出。Q在ARMv5及以上版本的E系列處理器中，用Q標(biāo)誌位指示增強(qiáng)的DSP運(yùn)算指令是否發(fā)生了溢出。33ARM的寄存器組織Ⅲ（3）控制位標(biāo)誌位含義II＝1，表示禁止IRQ中斷；否則，表示允許IRQ中斷FF＝1，表示禁止FIQ中斷；否則，表示允許FIQ中斷T對(duì)於ARMv4以上版本的T系列處理器，T＝0，表示執(zhí)行ARM指令，否則，表示執(zhí)行Thumb指令；對(duì)於ARMv5以上版本的非T系列處理器，T＝0，表示指令A(yù)RM指令，否則，表示強(qiáng)制下一條執(zhí)行的指令產(chǎn)生未定義指令中斷。M[4:0]M[4:0]處理器工作模式可訪問(wèn)的寄存器10000用戶模式PC，R0～R14，CPSR10001快速中斷模式PC，R0～R7，R8_fiq~R14_fiq,CPSR,SPSR_fiq10010外部中斷模式PC，R0～R12，R13_irq~R14_irq,CPSR,SPSR_irq10011管理模式PC，R0～R12，R13_svc~R14_svc,CPSR,SPSR_svc10111中止模式PC，R0～R12，R13_abt~R14_abt,CPSR,SPSR_abt11011未定義指令模式PC，R0～R12，R13_und~R14_und,CPSR,SPSR_und11111系統(tǒng)模式PC，R0～R14，CPSR34

3)ARM處理器對(duì)異常的回應(yīng)（1）將下一條指令的地址存入相應(yīng)連接寄存器LR，以便程式在處理異常返回時(shí)能從正確的位置重新開始執(zhí)行。（2）將CPSR複製到相應(yīng)的SPSR中。（3）根據(jù)異常類型，強(qiáng)制設(shè)置CPSR的運(yùn)行模式位。（4）強(qiáng)制PC從相關(guān)的異常向量地址取下一條指令執(zhí)行，從而跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的異常處理程式處。

4）從異常返回異常處理完畢之後，ARM微處理器會(huì)執(zhí)行以下幾步操作從異常返回：（1）將連接寄存器LR的值減去相應(yīng)的偏移量後送到PC中。（2）將SPSR複製回CPSR中。35異常向量（ExceptionVectors

0x0000,0000：複位0x0000,0004：未定義指令0x0000,0008：軟體中斷0x0000,000C：中止（預(yù)取指令）0x0000,0010：中止（數(shù)據(jù)）0x0000,0014：保留0x0000,0018：IRQ0x0000,001C：FIQ利用ARM處理器中的調(diào)試模組的功能，通過(guò)其JTAG邊界掃描口來(lái)與仿真器連接，以達(dá)到對(duì)晶片內(nèi)部的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控的目的。JTAG介面同JTAG仿真器硬體連接，利用相應(yīng)的調(diào)試工具觀察CPU狀態(tài)。調(diào)試工具可以檢查和控制CPU的運(yùn)行。363.2ARM微處理器的指令系統(tǒng)名詞解釋：

機(jī)器指令、偽指令、宏指令機(jī)器指令能被處理器直接執(zhí)行，而偽指令和宏指令不能。機(jī)器指令包括ARM指令集和Thumb指令集；偽指令是在根源程式彙編期間，由彙編編譯器處理。其作用是為組合語(yǔ)言程式完成準(zhǔn)備工作；宏指令在程式中用於調(diào)用宏，宏是一段獨(dú)立的程式代碼；在程式彙編時(shí)，對(duì)宏調(diào)用進(jìn)行展開，用宏體代替宏指令。ARM指令總體介紹所有指令都是32位的(16位的Thumb指令集)。指令能夠條件執(zhí)行。具有靈活的第二運(yùn)算元，既可以是立即數(shù)，也可以是邏輯運(yùn)算數(shù)。具有RISC指令的特點(diǎn)，指令少，且等長(zhǎng)，便於充分利用流水線技術(shù)，使用多寄存器。使用load/store結(jié)構(gòu)load/store–從記憶體中讀某個(gè)值,操作完後再將其放回記憶體中。Thumb指令Thumb是一套16位指令系統(tǒng)優(yōu)化代碼密度：對(duì)C代碼的編譯結(jié)果，僅是ARM的65%在窄寬度數(shù)據(jù)匯流排存儲(chǔ)情況下提高性能功能上是ARM指令的子集內(nèi)核有兩種執(zhí)行狀態(tài)-ARM和Thumb，使用BX指令進(jìn)行切換在Thumb狀態(tài)下

BXRn在ARM狀態(tài)下

BX<condition>RnARM/Thumb選擇0-ARM狀態(tài)1-Thumb狀態(tài)目標(biāo)地址031013101BX39

ARM體系結(jié)構(gòu)支持ARM的組合語(yǔ)言與C與C++的混合編程。一般的在一個(gè)完整的程式設(shè)計(jì)的中，除了初始化部分用組合語(yǔ)言完成外，其大部分的編程任務(wù)一般都用C或C++完成。尋址方式：立即數(shù)尋址、寄存器尋址、寄存器移位尋址、寄存器間接尋址、基址變址尋址、相對(duì)尋址、多寄存器尋址、塊拷貝尋址、堆疊尋址。ARM指令集數(shù)據(jù)處理指令；跳轉(zhuǎn)指令；

Load/Store指令；程式狀態(tài)寄存器指令；協(xié)處理器指令；軟體中斷指令403.2.1ARM指令的尋址方式尋址方式就是處理器根據(jù)指令中給出的地址資訊來(lái)尋找物理地址的方式。目前ARM指令集支持如下幾種常見(jiàn)的尋址方式。1、立即尋址（立即數(shù)尋址）例如ADDR0，R0，#1；R0←R0+12、寄存器尋址例如ADDR0，R1，R2；R0←R1+R23、寄存器間接尋址例如ADDR0，R1，[R2]；R0←R1+[R2]4、基址變址尋址例如LDRR0，[R1，#4]；R0←[R1+4]41

5、多寄存器尋址一次可以傳送幾個(gè)寄存器的值。允許一條指令傳送16個(gè)寄存器的任何子集（或所有16個(gè)寄存器）例如LDMIAR1，{R0，R2，R5}；R0←[R1]R2←[R1+4]R5←[R1+8]32位字對(duì)準(zhǔn)6、堆疊尋址ARM微處理器支持4種類型的堆疊工作方式，即滿遞增堆疊：堆疊指針指向最後壓入的數(shù)據(jù)，且由低地址向高地址生成。滿遞減堆疊：堆疊指針指向最後壓入的數(shù)據(jù)，且由高地址向低地址生成?？者f增堆疊：堆疊指針指向下一個(gè)將要放入數(shù)據(jù)的空位置，且由低地址向高地址生成。空遞減堆疊：堆疊指針指向下一個(gè)將要放入數(shù)據(jù)的空位置，且由高地址向低地址生成。7、相對(duì)尋址

與基址變址尋址方式類似，相對(duì)尋址以程式計(jì)數(shù)器PC的當(dāng)前值為基地址，指令種地地址標(biāo)號(hào)作為偏移量，將兩者相加之後得到運(yùn)算元的有效地址。421）、ARM體系結(jié)構(gòu)的主要特徵大量的寄存器，都可用於多種用途；Load-Store體系結(jié)構(gòu)即加載/存儲(chǔ)型，指令集僅能處理寄存器中的數(shù)據(jù)，而且處理結(jié)果都要放回寄存器中，對(duì)系統(tǒng)記憶體的訪問(wèn)則需要通過(guò)專門的加載/存儲(chǔ)指令來(lái)完成。3地址指令（兩個(gè)源運(yùn)算元寄存器和結(jié)果寄存器獨(dú)立設(shè)定）。每條指令都條件執(zhí)行包含非常強(qiáng)大的多寄存器Load和Store指令能在單時(shí)鐘週期執(zhí)行的單條指令內(nèi)完成一項(xiàng)普通的移位操作和一項(xiàng)普通的ALU操作。能過(guò)協(xié)處理器指令集來(lái)擴(kuò)展ARM指令集，包括在編程模式下增加了新的寄存器和數(shù)據(jù)類型。在Thumb體系結(jié)構(gòu)中以高密度16位壓縮形式表示指令集。

3.2.2ARM微處理器的指令集概述43 2）ARM指令集的分類ARM指令集可分為如下幾類形式：（1）數(shù)據(jù)處理指令：完成寄存器的數(shù)據(jù)的算術(shù)和邏輯操作,在執(zhí)行中需要兩個(gè)運(yùn)算元，產(chǎn)生單個(gè)結(jié)果。這類指令只能使用和改變寄存器中的值，每一個(gè)運(yùn)算元寄存器和結(jié)果寄存器都在指令中獨(dú)立的指定，即使用3地址模式。例：ADDR0，R1，R2；R0=R1+R2數(shù)據(jù)處理指令簡(jiǎn)介:算術(shù)操作：ADD、ADC、SUB、SBC、RSB（逆向減法）、RSC、MUL、MAL（32位乘加）、SMULL（有符號(hào)64位乘法）、SMLAL、UMULL、UMLAL。如RSBR0，R1，R2；R0=R2-R1按位邏輯操作：AND、ORR、EOR、BIC（清除位操作）44

比較操作：CMP、CMN、TST（按位與）、TEQ（按位異或）寄存器移位操作：LSL、LSR（邏輯右移）、ASL（算術(shù)左移）、ASR、ROR（迴圈右移）、RRX（帶擴(kuò)展迴圈右移）。例：ADDR0，R2，R3，LSR#1；R0=R2+（R3〈〈1）將R3中的內(nèi)容左移1位再與R2相加送入R0。（2）數(shù)據(jù)傳送指令：這類指令把記憶體中的值拷貝到寄存器中（Load）或把寄存器的值拷貝到記憶體中（Store）加載/存儲(chǔ)指令：用於在寄存器和記憶體之間傳送數(shù)據(jù)，加載指令用於將記憶體中的數(shù)據(jù)傳送到寄存器，存儲(chǔ)指令則完成相反的操作。常用的指令如下：LDR（字加載）、LDRB（位元組加載）、LDRH（半字加載）、STR（位元組存儲(chǔ)）、STRH（半字存儲(chǔ)）。批量數(shù)據(jù)加載/存儲(chǔ)指令：批量加載可以一次在一片連續(xù)的記憶體中的數(shù)據(jù)傳送到多個(gè)記憶體，批量存儲(chǔ)則完成相反的操作。常用的加載/存儲(chǔ)指令如下：LDM（批量數(shù)據(jù)加載）、STM（批量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)）。45

數(shù)據(jù)交換指令：在記憶體和寄存器之間交換數(shù)據(jù)。

SWP（字?jǐn)?shù)據(jù)交換）和SWPB（位元組數(shù)據(jù)交換）程式狀態(tài)寄存器訪問(wèn)指令MRS（程式狀態(tài)寄存器到通用寄存器的數(shù)據(jù)傳送）、MSR（通用寄存器到程式狀態(tài)寄存器的數(shù)據(jù)傳送）

。移位指令：ARM微處理器內(nèi)嵌的桶型移位寄存器，支持?jǐn)?shù)據(jù)的各種移位操作，一位操作在ARM指令集中部作為單獨(dú)的指令使用，它只能作為指令格式中的一個(gè)字段，在組合語(yǔ)言中表示為指令的選項(xiàng)。具體為6種類型。

LSL（邏輯左移）、ASL(算術(shù)左移）、LSR（邏輯右移）、ASR（算術(shù)右移）、ROR（迴圈右移）、RRX（帶擴(kuò)展的迴圈右移）。例如：MOVR0，R1，LSL#2；將R1中的內(nèi)容左移兩位後傳送到R0中。46

（3）控制流指令：一般指令在執(zhí)行時(shí)使用存儲(chǔ)於連續(xù)的記憶體地址中的指令?？刂屏髦噶钍箞?zhí)行切換到不同的地址。切換是永久的或保存返回地址以恢復(fù)原來(lái)的執(zhí)行順序，或者陷入系統(tǒng)代碼。如跳轉(zhuǎn)指令在ARM程式中有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)程式流程的跳轉(zhuǎn)。使用專門的跳轉(zhuǎn)指令和直接向程式計(jì)數(shù)器PC寫入跳轉(zhuǎn)地址。如BLable；無(wú)條件轉(zhuǎn)移到標(biāo)號(hào)地址。協(xié)處理器指令A(yù)RM微處理器可支持多個(gè)協(xié)處理器。主要用於ARM處理器初始化ARM協(xié)處理器的數(shù)據(jù)處理操作，以及在ARM處理器的寄存器和協(xié)處理器的寄存器之間傳送數(shù)據(jù)，和在ARM協(xié)處理器的寄存器和寄存器之間傳送數(shù)據(jù)。具體包括5種指令。

CDP（操作）、LDC（數(shù)據(jù)加載）、STC（數(shù)據(jù)存儲(chǔ)）、MCR（處理器和協(xié)處理器寄存器的數(shù)據(jù)傳送）、MRC（處理器和協(xié)處理器寄存器的數(shù)據(jù)傳送）。異常產(chǎn)生指令），BKPT（中斷點(diǎn)中斷）。

473）Thumb指令及應(yīng)用

Thumb是ARM體系結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展。它從標(biāo)準(zhǔn)32位ARM指令集抽出來(lái)的36條指令格式，可重新編成16位的操作碼。這能帶來(lái)很高的代碼密度，因?yàn)門humb指令的寬度只有ARM指令寬度的一半。在運(yùn)行時(shí)，這些16位的Thumb指令又由處理器解壓成32位的ARM指令。ARM體系結(jié)構(gòu)除了支持執(zhí)行效率很高的32位ARM指令集以外，同時(shí)支持16位的Thumb指令集。所有的Thumb指令都有對(duì)應(yīng)的ARM指令，而且Thumb指令的編碼模型也對(duì)應(yīng)於ARM的編碼模型，在應(yīng)用程式的編寫過(guò)程中，只要遵循一定調(diào)用的規(guī)則，Thumb副程式就可以相互調(diào)用。當(dāng)處理器執(zhí)行ARM程式段時(shí)，稱ARM處理器處?kù)禔RM工作狀態(tài)，當(dāng)處理器在執(zhí)行Thumb程式段時(shí)，稱為處?kù)禩humb工作狀態(tài)。Thumb指令集中的數(shù)據(jù)處理指令的運(yùn)算元仍然是32位，指令地址也為32位，但Thumb指令集為實(shí)現(xiàn)16位的指令長(zhǎng)度，捨棄了ARM指令集的一些特性，如大多數(shù)的Thumb指令是無(wú)條件執(zhí)行的，而幾乎所有的ARM指令都是有條件的；48

大多數(shù)的Thumb數(shù)據(jù)處理指令的目的寄存器與其中一個(gè)原寄存器相同。由於Thumb指令的長(zhǎng)度為16位，即只用ARM指令一半的位數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)同樣的功能，所以要實(shí)現(xiàn)特定的程式功能，所需的Thumb指令的條數(shù)較ARM指令多。顯然若對(duì)系統(tǒng)的性能有較高要求時(shí)，應(yīng)採(cǎi)用32位的存儲(chǔ)系統(tǒng)和ARM指令集，若對(duì)系統(tǒng)的成本及功耗有較高的要求，則應(yīng)使用16位的存儲(chǔ)系統(tǒng)和Thumb指令集。當(dāng)然若兩者結(jié)合使用，充分發(fā)揮其各自的特點(diǎn)，會(huì)取得更好的效果。Thumb指令集可以看作是ARM指令集的一個(gè)子集，Thumb指令長(zhǎng)度為16位，但Thumb指令集中的數(shù)據(jù)處理指令的運(yùn)算元仍然是32位的，指令尋址地址也是32位的。Thumb指令集由四大類構(gòu)成：數(shù)據(jù)處理指令；跳轉(zhuǎn)指令；Load/Store指令；和軟體中斷指令。494）ARM根源程式檔

檔類型擴(kuò)展名組合語(yǔ)言原始檔案.sC語(yǔ)言原始檔案.cC++原始檔案.cpp引入檔.INC頭檔.h505）組合語(yǔ)言上機(jī)過(guò)程

用ARM組合語(yǔ)言編寫的根源程式，要使之運(yùn)行必須經(jīng)過(guò)以下幾個(gè)步驟：1.編輯彙編根源程式，保存為檔案名尾碼是“.s”的檔；2.調(diào)用組合語(yǔ)言程式對(duì)根源程式進(jìn)行彙編，生成目標(biāo)檔；3.連接目標(biāo)檔，生成可以放進(jìn)ARM軟體仿真器進(jìn)行調(diào)試的映象檔或者可下載到ARM的目標(biāo)板執(zhí)行的二進(jìn)位檔；4.對(duì)生成的最終檔進(jìn)行調(diào)試。51ARM的開發(fā)工具SDT2.5和

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ARMSDT的英文全稱是ARMSoftwareDevelopmentKit，是ARM公司為方便用戶在ARM晶片上進(jìn)行應(yīng)用軟體開發(fā)而推出的一整套集成開發(fā)工具。ARMSDT經(jīng)過(guò)ARM公司逐年的維護(hù)和更新，目前的最新版本是2.5.2，但從版本2.5.1開始，ARM公司宣佈推出一套新的集成開發(fā)工具ARMADS1.0，取ARMSDT而代之，今後將不會(huì)再看到ARMSDT的新版本。

ARMSDT目前擁有廣泛的ARM軟體開發(fā)用戶群體，也被相當(dāng)多的ARM公司的第三方開發(fā)工具合作夥伴集成在自己的產(chǎn)品中。

ARMSDT支持最高到ARM9的所有ARM處理器晶片的開發(fā)，包括StrongARM。52

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