《ARM体系结构cha》课件.pptVIP

*******************ARM体系结构概述ARM（AdvancedRISCMachine）是一种广泛应用于移动设备、嵌入式系统和物联网领域的处理器体系结构。它以其低功耗、高性能和高度集成的特点在业界树立了良好的声誉。本节将深入了解ARM体系结构的核心特点和主要应用场景。ARM处理器发展历程1980年代-ARM1发布ARM1是第一代ARM处理器,由Acorn公司开发,主要应用于个人电脑和工作站。1990年代-ARM3和ARM6系列ARM3提升了性能,ARM6系列实现了32位架构,广泛应用于移动设备和嵌入式系统。2000年代-ARM7和ARM9系列ARM7和ARM9系列凭借低功耗和高性价比成为市场主导,应用范围更广泛。2010年代-ARM11和Cortex系列ARM11引入了先进的微架构,Cortex系列则提供更强大的性能和更好的能源管理。ARM指令集体系结构指令集体系结构ARM指令集体系结构是ARM处理器的核心,它定义了处理器能够执行的指令集,包括数据传输、算术和逻辑运算、控制转移等基本操作。指令编码方式ARM指令集采用固定长度的32位编码方式,每条指令包含操作码、寄存器地址等信息,编码紧凑有效。指令集分类ARM指令集:提供基本的数据处理、内存访问和控制转移操作Thumb指令集:针对代码密集型应用的16位压缩指令集NEON指令集:用于多媒体和数字信号处理的SIMD指令集ARM指令集编码方式固定长度指令ARM指令集采用固定长度32位指令编码方式，使得指令解码和执行效率更高。Thumb压缩指令集Thumb指令集采用16位压缩编码方式，占用更少的存储空间，适用于内存受限的嵌入式系统。灵活的指令格式ARM指令集包含不同格式的指令，如数据处理、加载/存储、分支等，满足不同应用需求。条件执行特性大部分ARM指令都包含条件执行标志，可根据状态寄存器的值来决定是否执行该指令。ARM处理器硬件结构ARM处理器采用精简指令集(RISC)架构设计,具有较简单的指令集和内部结构。它由几个主要功能部件组成,包括中央处理单元(CPU)、存储管理单元(MMU)、中断控制器、定时器/计数器等。这些核心模块通过内部总线连接,实现数据和地址信号的传输。ARM处理器采用多级流水线设计,能够实现高效的指令级并行执行。同时,它还集成了功耗控制电路,通过动态调整工作频率和电压,达到低功耗的目标。ARM执行流水线1取指从内存中获取指令2译码解析指令并得到操作码3执行根据操作码执行相应的运算4访存如果需要访问内存，则进行内存读写操作5写回将运算结果写回寄存器ARM处理器采用五级流水线架构,包括取指、译码、执行、访存和写回等阶段。每个指令都需要经过这五个阶段才能完成执行。流水线可以提高处理器的吞吐量,但需要处理指令间的相关性和数据冒险等问题。ARM内存访问机制内存映射ARM处理器采用统一的物理内存地址空间，内存映射方式简单高效。通过MMU可以进行虚拟到物理地址的转换。缓存管理ARM支持多级缓存，CPU可以快速访问高速缓存中的数据。缓存控制单元负责缓存的管理及一致性维护。内存保护ARM提供了内存保护机制，可以根据特权级别和访问权限控制对内存的读写操作。这有助于操作系统的隔离和安全性。外设接口ARM内存地址空间中包含外设寄存器，CPU可以直接对外设进行编程控制。这提供了灵活的外设访问方式。ARM异常处理机制1异常类型ARM体系结构支持多种异常类型,如中断、内存访问错误、未定义指令等,以处理各种意外情况。2异常处理流程当发生异常时,ARM处理器会保存当前状态并跳转到相应的异常处理程序来处理异常。3异常优先级ARM定义了各类异常的优先级,当多个异常同时发生时,优先处理最高优先级的异常。4异常模式ARM处理器在处理异常时会切换到专门的异常模式,以隔离异常处理代码并保护系统稳定性。ARM中断处理机制及时响应中断ARM处理器能够快速检测和处理各种类型的中断请求,确保系统实时响应关键事件。中断优先级ARM中断控制器支持多级中断优先级,可以根据中断重要性合理分配处理资源。中断嵌套ARM允许中断嵌套执行,确保临界事件能够及时得到处理而不被阻塞。中断向量表ARM处理器采用中断向量表机制,可灵活管理不同来源和类型的中断请求。ARM模式及特权级1ARM处理器工作模式ARM处理器有7种工作模式,包括用户模式、管理模式、系统模式、中断模式等,不同模式拥有不同的权限和寄存器。2特权级管理ARM处理器通过特权级机制控制对资源的访问,分为特权级和非特权级,特权级可以访问所有