《嵌入式系统基础教程》第06讲 第4章ARM体系结构 85页.ppt

2008年6月19日 南京大学计算机系 《嵌入式系统原理与开发》 第6讲 南京大学计算机系 俞建新主讲 第4章ARM体系结构 本章主要介绍以下内容： ARM体系结构版本 ARM处理器系列 ARM流水线 ARM工作模式和工作状态 ARM寄存器组织 ARM存储器组织 ARM的异常中断 AMBA和ARM7TDMI ARM处理器基本特征 ARM处理器在设计上沿用了RISC技术的基本特征，但是也放弃了一些RISC设计特征。 沿用的有：通用寄存器堆，32位定长指令，Load/Store访问存储器指令和3地址数据运算指令。 没有沿用的有：重叠寄存器窗口，延迟转移和单周期指令执行。 2001年以后， ARMv6体系结构中增加了60多条SIMD指令集。 现在可以认为ARM处理器体系结构以CISC结构为主，兼有RISC的优点。 4.1 ARM体系结构版本 迄今为止主要出现过7个指令集体系结构版本，分别命名为V1-V7。 此外还有基于这些体系结构版本的变种版本。 目前主要在用的ARM处理器的体系结构是V4、V5、V6和V7。 每一个版本都继承了前一个版本的基本设计，指令集向下兼容。 当前在用的ARM核概况 目前实际使用的ARM处理器核有二十多种 每一种处理器核依据一个体系结构版本设计 这些ARM核的共同特点是：字长32位、RISC结构、低功耗、附加16位高密度指令集Thumb 获得广泛的嵌入式操作系统支持 包括：Windows CE、Palm OS、Symbian OS、Linux以及其他的主流RTOS 含有嵌入式跟踪宏单元ETM（Embedded Trace Macro） 体系结构版本V1 这种版本在原型机ARM1上实现过，从未用于商用产品。 它包含：基本的数据处理指令（不包括乘法）；字节、字和多字的加载/存储（load/store）指令；分支（branch）指令，包括设计用于子程序调用的分支与链接指令；软件中断指令SWI。 版本V1只有26位寻址空间，现在已废弃不用。 体系结构版本V2 增加了这几种指令：乘法和乘加指令；支持协处理器的指令；快速中断模式（FIQ）中额外的2个备份寄存器；SWP指令和SWPB指令。版本V2和它之后的版本V2a仍然只有26位寻址空间，现在已废弃不用。 体系结构版本V3 这个体系结构版本将寻址范围扩展到了32位。当前程序状态信息由过去存于R15中移到一个新的当前程序状态寄存器CPSR（Current Program Status Register）中。增加了程序状态保存寄存器SPSR（Saved Program Status Registers），以便当异常出现时保留CPSR的内容。增加了2个指令（MRS和MSR），允许访问新的CPSR和SPSR寄存器。 体系结构版本V4 对体系结构版本V3进行了扩展，即：半字读取和存储指令；读取带符号的字节和半字数据的指令；增加了高密度指令集Thumb，这样V4体系结构有了T变量；有了在ARM/Thumb状态之间切换的指令；增加了处理器管理模式（SVC模式）。 体系结构版本V5 提高了T变量中ARM／Thumb之间切换的效率；让非T变量同T变量一样，使用相同的代码生成技术。增加了一个前导零计数（count leading zeros）指令，该指令允许更有效的整数除法和中断优先程序；增加了软件断点指令；为协处理器设计者增加了更多可选择指令；对由乘法指令如何设置标志进行了定义。 体系结构版本V6 平均取指令和取数据延时减少，因Cache未命中造成的等待时间减少，总的内存管理性能提高达到30%左右；适应多处理器核的需要；增加了SIMD指令集。支持混合端序，能够处理大端序和小端序混合的数据；异常处理和中断处理得以改进，实时任务处理能力增强。 体系结构版本V7 扩展了的130条指令的Thumb-2指令集； NEON媒体引擎，该引擎具有分离的单指令多数据（SIMD）执行流水线和寄存器堆，可共享访问L1和L2高速缓存，因此提供了灵活的媒体加速功能并且简化了系统带宽设计；TrustZone技术，可以对电子支付和数字版权管理之类的应用业务提供可靠的安全措施。 ARM处理器的3种指令集 ARM指令集 32位，低密度指令集 Thumb指令集 16位，高密度指令集 Jazelle指令集 8位，Java字节码指令集 ARM指令集和Thumb指令集 ARM体系结构版本中带有T变量的ARM处理器核可以工作在2种状态。 ARM状态，运行32位的ARM指令集 Thumb状态，运行16位的Thumb指令集 在任何一种工作状态可以通过转移指令切换到另一种工作状态。 ARM和Thumb之间的状态切换不影响处理器工作模式和寄存器中的内容。 加电起动时处理器工作在ARM状态。 指令集压缩 对于传统的微处理器体系