02 arm体系结构

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1、嵌入式系统王克栋13522717288wangkdd@163.com嵌入式系统的定义IEEE的定义：嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助机器或设备运转的装置”（原文为devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants）。一般定义：以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统的特点技术密集专用性强环境相关度高功耗限制成本敏感操作系统内核小不可垄断嵌入式系统的基本组成处理

2、器存储器输入接口操作系统(协议栈)应用程序软件子系统硬件子系统输出接口I/O设备单片机与嵌入式系统的区别单片机与嵌入式处理器微控制器MicrocontrollerUnit，MCU偏重程序流程控制，响应速度微处理器MicroprocessorUnit，MPU偏重运算功能，数据流较大嵌入式DSPEmbeddedDigitalSignalProcessor，EDSP偏重数字信号处理功能片上系统SystemOnChip，SOC集成度高，可编程模拟电路，可重用IP软核单片机原理与嵌入式系统课程2.ARM微处理器体系结构基本概念ARM简介ARM处理器状态与模

3、式ARM的内部寄存器ARM的异常与复位2.ARM微处理器体系结构13245硬件与软件的关系嵌入式系统硬件部分嵌入式系统软件部分如人的大脑，决定了硬件的操作模式。通过良好的操作系统以及应用程序，把硬件功能发挥到极至。如人的手、脚、神经等部位，决定了嵌入式系统的先天功能。如运算能力和I/O接口等。冯·诺依曼体系结构指令寄存器控制器数据通道输入输出中央处理器存储器程序指令0指令1指令2指令3指令4数据数据0数据1数据2哈佛体系结构指令寄存器控制器数据通道输入输出CPU程序存储器指令0指令1指令2数据存储器数据0数据1数据2地址指令地址数据CISC和RI

4、SCCISC：复杂指令集计算机（ComplexInstructionSetComputer）具有大量的指令和寻址方式，指令长度可变8/2原则：80%的程序只使用20%的指令大多数程序只使用少量的指令就能够运行CISC和RISCRISC：精简指令集计算机（ReducedInstructionSetComputer)只包含最有用的指令，指令长度固定确保数据通道快速执行每一条指令使CPU硬件结构设计变得更为简单CISC与RISC的数据通道IFIDREGALUMEM开始退出IFIDALUMEMREG微操作通道开始退出单通数据通道RISC：Load/Sto

5、re结构CISC：寻址方式复杂RISC基本设计思想精简指令集：保留最基本的,去掉复杂、使用频度不高的指令采用Load/Store结构，有助于减少指令格式，统一存储器访问方式采用硬接线控制代替微程序控制减小CPI:CPUtime=Instr_Count*CPI*Clock_cycleCISC与RISC的对比类别CISCRISC指令系统指令数量很多较少，通常少于100执行时间有些指令执行时间很长，如整块的存储器内容拷贝；或将多个寄存器的内容拷贝到存贮器没有较长执行时间的指令编码长度编码长度可变，1-15字节编码长度固定，通常为4个字节寻址方式寻址方式

6、多样简单寻址操作可以对存储器和寄存器进行算术和逻辑操作只能对寄存器进行算术和逻辑操作，Load/Store体系结构编译难以用优化编译器生成高效的目标代码程序采用优化编译技术，生成高效的目标代码程序RISC:减少指令平均执行周期数CPUtime=Instr_Count*CPI*Clock_cycleICRISC>ICCISC,30%---40%CCRISC

7、率内部信息流要求通畅流动译码取指执行add译码取指执行sub译码取指执行cmp时间AddSubCmp指令流水线—以ARM为例为增加处理器指令流的速度，ARM7系列使用3级流水线.允许多个操作同时处理，比逐条指令执行要快。PC指向正被取指的指令，而非正在执行的指令FetchDecodeExecute从存储器中读取指令解码指令寄存器读（从寄存器Bank）移位及ALU操作寄存器写（到寄存器Bank）PCPCPC-4PC-2PC-8PC-4ARMThumb理想状态的流水线该例中用6个时钟周期执行了6条指令所有的操作都在寄存器中（单周期执行）指令周期数(C

8、PI)=1操作周期123456ADDSUBMOVANDORREORCMPRSBFetchDecodeExecuteFetchDecode