嵌入式系统第二讲arm体系结构与编程模型

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1、第二讲ARM体系结构与编程模型电信学院崔寅鸣Email:ymcui@scut.edu.cn本讲主要内容ARM体系结构体系结构的版本ARM体系的变种ARM系列处理器介绍ARM处理器架构流水线结构MMU,I/O,DMA,AMBA,JTAG核与内核ARM编程模型ARM体系结构ARM体系结构的发展ARM版本性能结构概览ARM处理器命名规则ARM7TDMI核命名规则7－体系结构T－Thumb代码支持(16bit指令)D－Debug硬件调试模块支持M－加强的乘法支持I－EmbeddedICELogicS－可综合的软核E－DSPJ－Jaz

2、eller，允许直接执行Java字节码ARM体系的变种（一）Thumb指令集（T变种）Thumb指令集是ARM指令集的子集，16位长，与ARM指令集相比：完成同样任务，Thumb代码通常使用更多的指令Thumb指令集不包括异常处理所需的指令目前Thumb指令集有2个版本V1用于ARMV4V2用于ARMV5，与V1比切换ARM/Thumb更高效，增加SWI，更严格定义了乘法指令对条件标志位的影响ARM体系的变种（二，略）长乘法指令（M变种）增加了两条用于长乘法操作的ARM指令32×32－>6432×32＋32－>64在V3体系

3、中引入ARM体系的变种（三，略）增强型DSP指令（E变种）几个新的16位乘法运算和乘加指令；完成饱和带符号加减运算；可对双字数据操作的加载寄存器（LDRD）、存储寄存器STRD和协处理器寄存器传输指令MCRR、MRRC；Cache预加载指令PLD；ARM体系的变种（四，略）另外，一些早期体系结构的E变量未实现指令LDRD、STRD、MCRR、MRRC，为了表示这种结构，通常用xP表示；在非T或非M变量的体系结构中，E变量无效。例如：ARMv5TExP表示：ARM指令集版本v5,支持Thumb指令集，支持长乘法，支持除LDRD

4、、STRD、MCRR、MRRC外的所有增强型DSP指令。ARM体系的变种（五，略）Java加速器Jazelle（J变种）提供Java加速功能，比普通虚拟机（VM）相比，Jazelle使Java代码运行速度提高8倍，功耗降低80％使得同时运行Java应用程序，操作系统，中间件可以在单独的处理器上实现在ARMv4TEJ中首先使用ARM体系的变种（六，略）媒体功能扩展（SIMD变种）音频/视频处理性能提高2－4倍可以同时进行两个16位操作数或四个8位操作数的运算提供小数算术运算用户可定义饱和运算模式（溢出后使用最大的整数或最小的负

5、数来表示）两套16位操作数的乘加/乘减运算32×32位的小数MAC同时8位/16位选择操作低功耗ARM微处理器分类ARM7系列：如ARM7TDMI（TDMI=Thumb,Debugger,Multiplier,ICE）、ARM720T等ARM9系列:MX1采用ARM920T核ARM9E系列ARM10系列ARM11系列StrongARM系列XscaleARM7系列处理器特点（一）ARM7系列：如ARM7TDMI、ARM720T等采用ARMV4T结构常见芯片主频为20～133MHzARM720T以下没有MMU适合对价位和功耗要求

6、较高的产品。3级流水线和冯.诺依曼结构支持WindowCE、LinuxPalmOS等ARM7系列处理器特点（二）指令和数据Cache(ARM710,720,740)平均功耗0.6mW/MHz每条指令平均需要1.9时钟周期处理速度0.9MIPS/MHz小型、快速、低能耗、集成式RISC内核广泛应用于手持式计算机、数据通信和消费类多媒体ARM9系列处理器特点（一）ARM9系列:MX1采用ARM920T核采用ARMV4T结构常见的芯片主频为100～233MHz5级流水线和哈佛结构支持32位的高速AMBA总线接口MMU支持实时操作系

7、统ARM9系列处理器特点（二）指令数据分离的Cache（ARM920,940,9E）平均功耗0.7mW/MHz132MIPS（120MHz时钟，3.3V供电）或220MIPS（200MHz时钟）配写缓冲低价、低能耗、高性能应用于高级引擎管理、保安系统、机顶盒、便携计算机和高档打印机ARM9E处理器特点（略）ARM9E系列采用ARMV5TE结构5级流水线和哈佛结构紧耦合的存储器接口支持32位的高速AMBA总线接口MMU支持DSP指令集，适合高速数字信号处理支持实时操作系统具有指令Cache和数据Cache支持VFP9浮点处理协

8、处理器ARM10系列处理器特点（一）ARM10系列采用ARMV5TE结构6级流水线和哈佛结构支持64位的高速AHB总线接口MMU支持DSP指令集，适合高速数字信号处理支持实时操作系统具有指令Cache和数据Cache支持VFP9浮点处理协处理器ARM10系列处理器特点（二）时钟速度300M