嵌入式系统基础 第3章--ARM体系结构.ppt

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1、共页1第3章ARM体系结构本章主要内容1、片上系统（SystemonChip，SoC）与嵌入式处理器2、ARM体系结构概述3、ARM的2种状态和7种模式共页24、ARM的模式无关寄存器、模式相关寄存器和专用寄存器的组织5、ARM指令集和Thumb指令集概述6、基于ARM体系结构的嵌入式处理器共页33.1ARM及其嵌入式处理器的研发与生产方式ARM是ARMA（AdvancedRISCMachineLimited）公司推出的一种RISC处理器体系结构及相关技术。在一个芯片上集中制作多个功能模块，这种芯片可以实现

2、一个系统的功能，这种芯片叫做片上系统（SystemonChip，SoC）共页43.1.1SoC与嵌入式处理器计算机SoC的概念如下图所示：共页5计算机的这种单片系统特别适合于嵌入式应用，所以这种SoC也叫做嵌入式处理器。3.1.2嵌入式处理器的研发和生产方式宿主对象的多样化，势必决定了嵌入式系统的多样化、个性化。1、在SoC技术出现之前共页6CPU和与其配合的接口及功能模块都是单独的芯片。2、在SoC技术出现之后单片系统。3、单片系统问题提高效率，通用化和个性化，用户和芯片制造商如何分工。共页7共页84、如

3、何分工共页9从上图可知由生产厂商负责的部分分为两个层次：一个层次为CPU及通用接口和功能模块；另一个层次为应用相关且较为通用的接口和功能模块。由精通计算机系统结构的研发人员专门来完成核心部分的研发工作（深阴影部分）。共页10由熟悉应用及生产销售的芯片生产厂商来完成在核心基础上的二次开发（浅阴影部分）及芯片的生产。核心的研发者既不设计芯片，也不生产芯片，其产品只是一种处理器的体系结构及微处理器和相关功能模块的知识产权（IntellectualProperty，IP）。共页11半导体芯片生产厂商向核心的研发者购

4、买知识产权的使用权，然后根据市场的需求，在购得的知识产权基础上进行二次开发来生产适合各种类型应用的嵌入式处理器芯片。将上图中的CPU部分叫做处理器核。把处理器核与其通用功能模块的组合叫做处理器。共页12把在处理器基础上经芯片厂商二次开发，以芯片形式提供的用于嵌入式系统的产品叫做嵌入式处理器。IP商提供的是处理器核和处理器的知识产权，而半导体芯片生产厂商生产的则是嵌入式处理器芯片。世界上知名的IP商当属ARM公司和MIPS公司。共页13采用ARM核的嵌入式占据了世界嵌入式处理器市场份额的70%以上。提供ARM

5、处理器知识产权的ARM公司与嵌入式处理器生产厂商之间的关系如下图所示：共页14一种使用了ARM处理器的嵌入式处理器芯片的示意图如下：共页15部分使用ARM核和处理器IP来生产产品的厂商的部分产品如下表所示：ARM核公司名称嵌入式处理器产品ARM7TDMIATMELAT91系列MCUHyundai手持计算产品中的MCUOKIML67000系列MCURohmBu6616KISDN处理器SumsungKS32/KS71系列产品中的MCUSHARPLH77790手持计算产品中的MCU共页16ARM核公司名称嵌入式处

6、理器产品ARM7TDMINetsiliconNET+15/40/50的以太网的MCUARM710T/720T/740TLinkupSystemL720互联网处理器HyundaiGMS30C7201手持式计算产品中的MCU共页173.2ARM处理器核的结构ARM处理器核的结构如图所示：共页181、算术逻辑运算单元ALUALU是一个可以进行算术和逻辑运算的电路，是处理器进行运算的核心部件。2、桶式移位寄存器为了加速数据的移位运算，ARM采用了如下所示的桶式移位寄存器。共页19共页20优点：移位操作的速度快，且移

7、位操作所耗费的时间与移动的位数无关。3、高速乘法器ARM把传统的根据一位乘数“加-移位”的乘法运算方法改为根据两位乘数“加-移位”方法，提高乘法运算速度。4、寄存器共页21ARM处理器共有37个32位寄存器。4、指令流水线目前ARM采用的指令流水线有3级、5级、6级、8级几种。共页223.3冯.诺依曼结构及哈佛结构在ARM中的应用1、冯.诺依曼结构冯.诺依曼结构也称为普林斯顿结构，是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构。程序指令和数据的宽度相同。共页23ARM7采用了冯.诺依曼结构。2、哈

8、佛结构哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构。程序指令存储和数据存储分开，可以使指令和数据有不同的数据宽度。共页24哈佛结构的处理器通常具有较高的执行效率。ARM9、ARM10和ARM11属于哈佛结构。共页253.4ARM处理器的运行模式ARM处理器可以为程序提供提供7种不同的硬件资源组合，每一种硬件资源组合都叫做一种运行模式。ARM共有7种运行模式，如下表所示：运行模式说明用户模式（USR）用户