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嵌入式系统讲义第2章 ARM9体系结构 周国运 2007.3 第2章 ARM9体系结构 主要内容 2.1 ARM处理器简介 2.2 ARM9结构 2.3 ARM数据类型和存储格式 2.4 处理器状态和工作模式 2.5 ARM寄存器 2.6 ARM异常 2.7 ARM调试接口 2.1 ARM处理器简介 2.1.1 ARM公司简介 ARM是Advance RISC Machine 的缩写，既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。 ARM公司于1990年11月在英国剑桥成立，前身为Acorn计算机公司。 ARM公司是全球领先的16/32位嵌入式RISC微处理器解决方案供应商。 ARM公司是知识产权（IP）公司，本身不生产芯片，靠转让设计许可，由合作伙伴公司来生产各具特色的芯片。 目前，全世界有几十家著名的半导体公司都使用ARM公司的授权，其中包括MOTOROLA、IBM、Intel、 LG、 SONY、NEC、ATMEL等，从而保证了大量的开发工具和丰富的第三方资源，它们共同保证了基于ARM处理器核的设计可以很快投入市场。ARM公司已成为移动通信、手持设备、多媒体数字消费嵌入式解决方案的RISC标准。 2.1.2 ARM体系结构的特点 总体思想：在不牺牲性能的同时，尽量简化处理器。同时从体系结构的层面上灵活支持处理器扩展。这种简化和开放的思路使得ARM处理器采用了很简单的结构来实现。 ARM处理器是最先进的：目前，ARM32位体系结构被公认为业界领先的32位嵌入式RISC微处理器核，所有ARM处理器都共享这一体系结构。 2.1.2 ARM体系结构的特点(2) 一、RISC型处理器结构 ARM采用RISC结构，在简化处理器结构，减少复杂功能指令的同时，提高了处理器的速度。 考虑到处理器与存储器打交道的指令执行时间远远大于在寄存器内操作的指令执行时间，RISC型处理器采用了Load/Store（加载/存储）结构，即只有Load/Store指令可与存储器打交道，其余指令都不允许进行存储器操作。 同时，为了进一步提高指令和数据的存取速度，RISC型处理器增加了指令高速缓冲I-Cache和数据高速缓冲D-Cache及多处理器结构，使指令的操作尽可能在寄存器之间进行。 2.1.2 ARM体系结构的特点(3) 2.1.2 ARM体系结构的特点(4) 二、Thumb指令集 虽然ARM处理器本身是32位设计，但考虑到RISC型处理器的指令功能相对较弱，新型的ARM体系结构中定义了16位的Thumb指令集。 Thumb指令集比通常的8/16位CISC/RISC处理器有更好的代码密度，而芯片面积只增加6%，却可以使程序存储器更小。 三、多处理器状态模式 ARM体系结构定义了7种处理器模式：用户、 快中断、中断、管理、终止、未定义和系统模式，大大提高了ARM处理器的效率。 四、两种处理器工作状态(执行32位ARM指令) ARM状态和Thumb状态。(执行16位Thumb指令) 2.1.2 ARM体系结构的特点(5) 五、嵌入式在线仿真调试 ARM体系结构的处理器芯片都嵌入了在线仿真ICE-RT逻辑，便于通过JTAG来仿真调试芯片，省去了价格昂贵的在线仿真器。 六、灵活方便的接口 ARM体系结构具有协处理器接口，允许接16个协处理器。既可以使基本的ARM处理器内核尽可能小，方便地扩充ARM指令集，也可以通过未定义指令来支持协处理器的软件仿真。 七、低电压功耗的设计 考虑到ARM处理器主要用于手持式嵌入式系统中，在设计中就十分注意功耗的设计。 2.1.3 ARM指令系统版本 ARM公司从最初的开发到现在，ARM指令集结构有了巨大的改进，并在不断完善和发展。为了清楚地表达每个ARM内核所使用的指令集，ARM公司定义了一系列的指令集体系结构版本，以vx表示某种版本。下面对版本v1~v5做一介绍。 一、版本1（v1） v1在ARM1中使用，但从未商业化。 26位寻址空间，其指令主要有： 基本的数据处理指令（无乘法指令） 字、字节和半字存储器访问指令 分支指令（包括带链接的分支指令） 软件中断指令 2.1.3 ARM指令系统版本(2) 二、版本2（v2） 仍是26位寻址空间，在v1的基础上增加的内容有： 乘法和乘法加指令 支持协处理器 快速中断模式中的分组寄存器 交换式加载/存储指令。 三、版本3（v3） 将寻址范围扩展到32位，但兼容26位寻址。在v2的基础上增加的内容有： 设置了专用的当前程序状态寄存器CPSR、增