嵌入式系统设计与开发 马文华 主编 邓耀华 汤秀春 胡伟 副主编 10ARM9 处理器新.ppt

第10章 ARM9 处理器 10.1 ARM9TDMI 特点及其与ARM9TDMI 的比较 10.2 ARM920T处理器 10.3 S3C2410X芯片 10.1 ARM9TDMI 特点及其与ARM9TDMI的比较 ARM9TDMI和ARM7TDMI分别是ARM9和ARM7系列芯片 的处理器核，下面将从与ARM7TDMI做比较的角度阐述 ARM9TDMI的特点。 1）ARM9系列处理器和ARM7系列处理器的最大区别就 是指令执行过程由原来的3级流水线（取指、译码和执行）， 变成了5级流水线（取址、译码、执行、数据存储器/数据 cache访问和寄存器回写）。两种内核的指令执行流水线对照 图如图10.1所示。其中ARM9TDMI的第四步，数据存储器访问 操作主要作用是更新数据cache中的数据，实际上是对数据 cache的访问。 （a）ARM7TDMI流水线 （b）ARM9TDMI流水线 图10.1 ARM7TDMI和ARM9TDMI流水线对照图 ARM9TDMI 5级流水线组织结构图如图10.2所 示。 ARM9TDMI和ARM7TDMI相比，其中的译码部分 是通过硬件实现Thumb指令解码，即执行Thumb指令 时由ARM7TDMI的软解码到ARM9TDMI的Thumb指 令的硬解码，这使得ARM9TDMI相对ARM7TDMI的解 码速度提高了。 2）ARM9TDMI同ARM7TDMI相比较除了采用硬 件Thumb解码外，其指令流水线由3级变成5级也使得 程序的执行时间缩短了，这是根据程序的执行时间 Tprog，由式（10.1）决定。 （10.1） 式（10.1）中，Ninst：即程序中执行的ARM指 令数；CPI：即平均每条指令的时钟周期数；fclk：表 示处理器时钟频率。这样对于给定的程序即Ninst固定 的情况下，只有通过提高处理器时钟频率fclk和增加平 均每条指令时钟周期数CPI的方法来缩短程序执行的 时间，提高处理器的执行能力。这样如果同一指令的 执行时间在处理器的时钟频率不方便更改时，可以通 过更改CPI以显著地缩短程序执行时间。 图10.2 ARM9TDMI 5级流水线组织结构 3）虽然ARM7TDMI和ARM9TDMI都是基于ARM 体系结构的v4T版本，但在数据中止模式时ARM9TDMI采用的 是基地址重新装入（base restored data abort model）模式， 而ARM7TDMI采用的是基址更新模式（base updated data abort model）。在ARM9TDMI中，当出现访问存储器数据中 止时，处理器硬件在数据中止指令执行前，自动保存相应发生 数据中止时基地址寄存器的值，这样消除了数据中止句柄去一 一查找引起数据中止操作的指令确定的基地址寄存器更新。 4）ARM7TDMI是基于冯?诺依曼体系结构，而 ARM9TDMI是基于哈佛结构。一般将这两个结构放在一起进行 对比说明时，主要是指存储器结构设计不同。在早期设计中冯? 诺依曼体系结构将指令存储器和数据存储器放在一起，而后期 的哈佛结构是将两者分开的。 后者在处理器的设计中增加了cache，把指令cache和数据 cache分开实现并且相应的MMU也分开实现，就形成了现在的 哈佛结构。而把指令和数据cache放在一起是冯?诺依曼体系结 构的特点。下面简单分析这两种体系的优缺点。 冯·诺依曼结构是在同一个存储空间取指令和数据，两者分时复用一条总线，故限制了工作带宽，使控制电路较复杂。哈佛结构，指令和数据空间完全分开，可以同时访问，且一次读出从而减少存贮器的读取次数，简化控制电路，方便实现流水线。 在冯·诺依曼体系结构中，数据和程序存储器是共享数据总线。数据总线共享 有很多优点，比如减小总线开销、能够把RAM映射到程序空间。而对于哈佛体系结构的计算机，程序和数据总线是分开的，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器,每个存储器独立编址、独立访问。程序存储器和数据存储器独立编址的优势在于能够在一个时钟周期内同时读取程序和数据，这样就相应地减少了执行每一条指令所需的时钟周期，即可以达到高速、并行工作。 5）还有一点就是ARM9TDMI可以完全执行ARM体系结构 v4和v4T的未定义异常指令扩展空间上的指令集，而 ARM7TDMI是不能执行的。这些指令扩展空间包括：算术指令 扩展空间、控制指令扩展空间、协处理器指令扩展空间和加载/ 存储扩展空间。 10.2 ARM920T处理器 10.2.1 ARM920T功