第3节ARM处理器结构.doc

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1、第3节ARM处理器结构ARM处理器结构 计算机体系结构分类ARM和Thumb状态 RISC技术 流水线技术 超标量技术 计算机体系结构分类 两种典型的结构： 冯·诺依曼结构 哈佛体系结构 冯·诺依曼结构 冯·诺依曼机：将数据和指令都存储在存储器中的计算机。 计算系统由一个中央处理单元（CPU）和一个存储器组成。存储器拥有数据和指令，并且可以根据所给的地址对它进行读或写。因此程序指令和数据的宽度相同；如：Intel8086、ARM7、MIPS处理器等 哈佛体系结构 哈佛机：为数据和程序提供了各自独立

2、的存储器。 程序计数器只指向程序存储器而不指向数据存储器，这样做的后果是很难在哈佛机上编写出一个自修改的程序。 独立的程序存储器和数据存储器为数字信号处理提供了较高的性能。 指令和数据可以有不同的数据宽度；具有较高的效率；如摩托罗拉公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列、ARM10系列等 ARM 7使用冯·诺依曼体系结构。 ARM9使用哈佛体系结构。 中央处理器首先到程序指令存储器中读取程序指令内容，解码后得到数据地址，再到相应的数据存储器中读取数据，并进行下一步的操作（通常是执行）。程序指

3、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，如Microchip公司的PIC16芯片的程序指令是14位宽度，而数据是8位宽度。哈佛结构的微处理器通常具有较高的执行效率。其程序指令和数据指令分开组织和存储的，执行时可以预先读取下一条指令。目前使用哈佛结构的中央处理器和微控制器有很多，除了上面提到的Microchip公司的PIC系列芯片，还有摩托罗拉公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列、ATMEL公司的AVR系列和安谋公司的ARM9、ARM10和ARM11，51单片机也属于哈佛结构

4、ARM和Thumb状态 V4版以后有： （1）32位ARM指令集 （2）16位Thumb指令集，功能是ARM指令集的功能子集。 ARM7TDMI核以后，T变种的ARM微处理器有两种工作状态： （1）ARM状态 （2）Thumb状态。 当ARM微处理器执行32位的ARM指令集时，工作在ARM状态； 当ARM微处理器执行16位的Thumb指令集时，工作在Thumb状态 Thumb技术介绍 ARM7体系结构被广泛应用的时候，嵌入式控制器的市场仍然由8位、16位处理器占领。这些产品不能满足高端应用。这些应

5、用需要32位RISC处理器的性能和更优于16位CISC处理器的代码密度。 为了解决代码密度的问题，ARM增加了T变种。 Thumb从32位ARM指令集中抽出来的36条指令格式，可重新编成16位的操作码。 在运行时，16位的Thumb指令又由处理器解压成32位指令。 Thumb核有2套独立的指令集，它使设计者得到ARM32位指令性能的同时，又能享有Thumb指令集产生的代码方面的优势，在性能和代码大小之间取得平衡。 和ARM指令集相比，Thumb指令集具有以下的局限： 完成相同的操作，Thumb指令

6、通常需要更多的指令，因此在对系统运行时间要求苛刻的场合，ARM指令集更为合适。 Thumb指令集没有包含进行异常处理时需要的一些指令，因此在异常中断时，还是需要使用ARM指令，这种限制决定了Thumb指令需要与ARM指令配合使用。 ARM与Thumb状态转换 在程序的执行过程中，微处理器可以随时在两种工作状态之间切换，并且该转变不影响处理器的工作模式和相应寄存器中的内容。 进入Thumb状态：当操作数寄存器的状态位（位[0]）为1时，执行BX指令。 进入ARM状态：当操作数寄存器的状态位（位[0]

7、）为0时，执行BX指令。 RISC技术 嵌入式微处理器可以分为两类：CISC和RISC； CISC（ComplexInstructionSetComputer）：复杂指令系统计算机；随着计算机技术的发展而不断引入新的复杂的指令集，计算机的体系结构会越来越复杂。 大约有20％的指令会被反复使用，占整个程序代码的80％，而余下的80％的指令却不经常使用，在程序设计中只占20％。 RISC（ReducedInstructionSetComputer）：精简指令系统计算机；－采用固定长度的指令格式 －使用

8、单周期指令 －大量使用寄存器 －可用加载/存储指令批量传输数据 －在循环处理中使用地址的自动增减 RISC技术与CISC技术比较 RISC技术 ARM处理器采用加载/存储（Load/Store）体系结构是典型的RISC处理器，即只有Load/Store的存/取指令可以访问存储器，其余指令都不允许进行存储器操作。 RISC体系结构基本特点： （1）大多数指令只需要执行简单和基本的功能，其执行过程在一个机器周期内完成。 （2）只保留加载/存储指令。操作数由加载/存储指令从存储器取出放寄