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嵌入式系统设计 信息工程学院计算机科学技术系 牛斗 副教授 第三章 ARM微处理器体系结构与指令集 3．1 ARM嵌入式微处理器概述 3.1.1 嵌入式微处理器简介 32位嵌入式微处理器的评价指标 [1]功耗： 有三种模式：运行模式 节电模式 待机模式 [2]代码存储密度： ARM使用32/16位指令 [3]集成度： 简化系统设计方案 [4]多媒体加速： 增加JPEC、MPEG指令 第三章 ARM微处理器体系结构与指令集 3．1 ARM嵌入式微处理器概述 3.1.2 ARM微处理器概述 ARM（Advanced RISC Machine） ARM公司本身不生产芯片，只是设计芯片之后转让设计许可。 1981年：ARM公司成立（Acon RISC Machine） 1985年：第一款ARM（ARM1）被设计出来 1986年：ARM2推出（实用化） 1990年：另组建Advanced RISC Machines公司 1998年：ARM公司上市 第三章 ARM微处理器体系结构与指令集 3．1 ARM嵌入式微处理器概述 3.1.2 ARM微处理器概述（续） 目前全世界众多半导体生产厂家获得授权生产ARM微处理器 包括：Motorola、IBM、TI、Philips、VLSI、Atmel、Samsung ARM特点： [1]低功耗特性 [2]架构灵活：ARM只提供一个核心，各公司可以增加资源/指令 [3]得到主流系统软件支持： WindowsCE、PalmOS、Symbian 目前：ARM系列微处理器占据嵌入式处理器市场的75%以上 第三章 ARM微处理器体系结构与指令集 3．1 ARM嵌入式微处理器概述 3.1.3 ARM架构版本与产品系列 第三章 ARM微处理器体系结构与指令集 3．1 ARM嵌入式微处理器概述 3.1.3 ARM架构版本与产品系列（续） ARM7： 3级流水线（预取、译码、执行） ARM9： 5级流水线（预取、译码、执行、访存、写入） ARM10：6级流水线（预取、发送、译码、执行、访存、写入） ARM11：8级流水线 （预取、预取、译码、发送、转换、执行、访存、写入） 目前ARM水平：以ARM11为例 工艺： 90nM 工作主频： 1GHZ 第三章 ARM微处理器体系结构与指令集 3．2 ARM微处理器体系结构 3.2.1 ARM微处理器体系结构概述 结构： ARM7： 冯.诺依曼结构 ARM9及以上版本： 哈佛结构 支持的数据类型： [1]字： 32位 [2]半字： 16位 [3]字节： 8位 地址： 32位地址总线 最大寻址空间4GB 第三章 ARM微处理器体系结构与指令集 3．2 ARM微处理器体系结构 3.2.1 ARM微处理器体系结构概述 1.ALU逻辑结构 2.桶形移位寄存器 3.高速乘法器 4.浮点部件 5.控制器 第三章 ARM微处理器体系结构与指令集 3．2 ARM微处理器体系结构 3.2.2 流水线 1.流水线的设计 2.ARM的3级流水线 3.ARM的5级流水线 第三章 ARM微处理器体系结构与指令集 3．2 ARM微处理器体系结构 3.2.3 ARM的寄存器组织 1.通用寄存器 1）未分组寄存器R0-R7：所有模式下使用同一组寄存器 2）分组寄存器R8-R14： R8-R12： FIQ模式下使用R8_fiq — R12_fiq 其余模式下使用R8 — R12 R13-R14： 系统/用户模式下使用R13/R14 其余模式下使用对应该模式的R13/R14 一般情况下：R13作为堆栈指针SP R14作为子程序返回指针LP 第三章 ARM微处理器体系结构与指令集 3．2 ARM微处理器体系结构 3.2.3 ARM的寄存器组织 1.通用寄存器 3）R15：程序指针，相当于PC 在ARM状态： PC的D1、D0 = 00 在Thumb状态： PC的D0 = 0 由于ARM采用多级流水线技术 对于ARM指令，（PC）= 当前指令地址 + 8 指向下两条指令的地址 第三章 ARM微处理器体系结构与指令集 第三章 ARM微处理器体系结构与指令集 第三章 ARM微处理器体系结构与指令集 第三章 ARM微处理器体系结构与指令集 第三章 ARM微处理器体系结构与指令集 第三章 ARM微处理器体系结构与指令集 第三章 ARM微处理器体系结构与指令集 第三章 ARM微处理器体系结构与指令集 3．2 ARM微处理器体系结构 3.2.3 ARM的寄存器组织