文档介绍：1
第2章 ARM体系结构
参考书:《ARM嵌入式处理器结构与应用基础》
马忠梅,马广云,徐英慧,等
北京航空航天大学出版社
2
ARM体系结构概述
ARM体系结构的特点
0、概述:
ARM公司
ARM即Advanced RISC Machines的缩写。
ARM公司是知识产权(IP)供应商,成立于1990。 ARM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。
ARM作为32位嵌入式RISC微处理器业界的领先供应商,商业模式的强大之处在于它在世界范围有超过100个合作伙伴——包括半导体工业的著名公司,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。
3
ARM处理器的3大特点是:
耗电少,成本低,功能强;
16/32位双指令集;
全球众多合作伙伴保证供应。
ARM体系结构基于精简指令集计算机(RISC)原理。
传统的CISC指令集计算机随着计算机的发展引入了各种各样的复杂指令,使得指令集和为实现这些指令的计算机体系结构越来越复杂,已经不堪重负。
经过大量的研究和分析,发现在CISC的指令集中,各种指令的使用频度相差悬殊。
大概有20%的指令被反复使用,使用量约占整个程序的80%;
而有80%左右的指令则很少使用,其使用量约占整个程序的20%。
这就是所谓的20%—80%规律。
4
RISC指令集和相关的译码机制比复杂指令集计算机(CISC)的设计更简单。这种简单性得到了:
高指令吞吐率;
出色的实时中断响应;
体积小、性价比高的处理器宏单元。
16位Thumb指令集,允许软件16位编码使占用的存储器空间节省高达35%,然而保留了32位系统所有的优势。
5
ARM还提供了两个前沿特性——嵌入式ICE—RT逻辑和嵌入式跟踪宏核系列,用于辅助嵌入式处理器核的、高集成的SoC器件的调试。允许在代码的任何部分——甚至在ROM中设置断点。
ARM当前有5个产品系列:ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10和SecurCore。
进一步的产品来自于合作伙伴,例如Intel XScale微体系结构和StrongARM产品。
6
中央控制器没有采用微程序的方式。采用了硬接线PLA的方式。
减少复杂功能的指令,选用使用频度最高的指令;
简化处理器的结构,减少处理器的集成度;
采用32位定长指令。除了单机器周期执行1条指令外,每条指令具有多种操作功能,提高了指令使用效率。
采用流水线结构,使每一条指令平均在一个机器周期内完成,以提高处理器的速度。
采用多寄存器的结构,使指令的操作尽可能在寄存器之间进行。
采用Load/Store结构,即只有Load/Store(加载/存储)指令可与存储器打交道,减少访问存储器的频度,节约指令执行时间。
为了进一步提高指令和数据的存/取速度,有的还增加指令快存I—Cache和数据快存D—Cache;
7
新型ARM体系结构在32位指令集的基础上又定义了16位的Thumb指令集,可以使程序存储器更小。Thumb指令集比通常的8位和16位CISC/RISC处理器具有更好的代码密度,而芯片面积只增加6%。
8
ARM可以支持7种处理器模式:
用户模式
快中断模式
中断模式
管理模式
中止模式
系统模式
未定义模式
除了用户模式外,其余的均为特权模式。这是ARM的特色之一。多处理器模式可以大大提高ARM处理器的效率,并方便操作系统的设计。
9
ARM体系结构的处理器芯片都嵌入了在线仿真ICE—RT逻辑
由于ICE—RT逻辑的支持,便于通过JTAG来仿真调试ARM体系结构芯片,从而可以省去价格昂贵的在线仿真器。
在处理器核中还集成了嵌入式跟踪宏单元(ETM), ETM可以用于监控内部总线,实时跟踪指令和数据的执行。
10
ARM体系结构具有协处理器接口,这样,既可以使基本的ARM处理器内核尽可能小,又可以方便地扩充各种功能。ARM允许接16个协处理器。
ARM处理器核具有片上总线AMBA(Advanced Micro controller Bus Architecture)。
AMBA定义了3组总线:
先进高性能总线AHB(Advanced High performance Bus);
先进系统总线ASB(Advanced System Bus);
先进外围总线APB(Advanced Peripheral Bus)。
通过AMBA可以方便地扩充各种处理器及I/O,这样,可以把DSP、其他处理器和I/O接口(如UART、定时器和接口等)都集成在一块芯