ARM概述及其编程模型.ppt
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1、ARM 原理与应用原理与应用ARM原理与应用原理与应用所选教材:ARM体系结构与编程体系结构与编程杜春雷杜春雷 编著编著清华大学出版社清华大学出版社ARM 原理与应用原理与应用ARM 原理与应用原理与应用第一章 ARM概述及编程模型ARMARMAdvanced RISC MachinesAdvanced RISC Machines、是一个公司的名字、是一个公司的名字、是对一类微处理器的通称、是对一类微处理器的通称、是一种技术的名字。、是一种技术的名字。q1991年年ARM公司成立于英国剑桥,公司成立于英国剑桥,主要出售芯片设计技术的授权。主要出售芯片设计技术的授权。ARM 原理与应用原理与应用
2、ARM 公司的公司的Chip less模式模式q世界各大半导体生产商从世界各大半导体生产商从ARMARM公司购买其设计的公司购买其设计的ARMARM微处微处理器核,根据各自不同的应用领域,加入适当的外围电路,理器核,根据各自不同的应用领域,加入适当的外围电路,从而形成自己的从而形成自己的ARMARM微处理器芯片进入市场。微处理器芯片进入市场。q基于基于ARM技术的微处理器应用约占据了技术的微处理器应用约占据了32位位RISC微处微处 理器理器75以上的市场份额,以上的市场份额,ARM技术正在逐步渗入到我们技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。生活的各个方面。q我国的我国的中兴集成电路、中兴集成
3、电路、大唐电讯、中芯国际和上海华虹,大唐电讯、中芯国际和上海华虹,以及国外的一些公司如德州仪器、意法半导体、以及国外的一些公司如德州仪器、意法半导体、PhilipsPhilips、IntelIntel、SamsungSamsung等都推出了自己设计的基于等都推出了自己设计的基于ARMARM核的处理器。核的处理器。ARM 原理与应用原理与应用ARMARM微处理器的应用领域微处理器的应用领域 工业控制领域:作为工业控制领域:作为3232的的RISCRISC架构,基于架构,基于ARMARM核的核的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额,同时
4、也逐渐向低端微控制器应用领域分市场份额,同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展,扩展,ARMARM微控制器的低功耗、高性价比,向传统微控制器的低功耗、高性价比,向传统的的8 8位位/16/16位微控制器提出了挑战。位微控制器提出了挑战。ARM技术的应用领域及特点q到目前为止,到目前为止,ARM微处理器及技术的应用已经广泛深微处理器及技术的应用已经广泛深入到国民经济的各个领域入到国民经济的各个领域ARM 原理与应用原理与应用ARMARM微处理器的应用领域微处理器的应用领域ARM技术的应用领域及特点q网络应用:随着宽带技术的推广,采用网络应用:随着宽带技术的推广,采用ARM技术的技术的ADSL芯片正
5、逐步获得竞争优势。此外,芯片正逐步获得竞争优势。此外,ARM在语音及视频在语音及视频处理上行了优化,并获得广泛支持,也对处理上行了优化,并获得广泛支持,也对DSP的应用领域提的应用领域提出了挑战。出了挑战。q消费类电子产品:消费类电子产品:ARM技术在目前流行的数字音频播技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用。放器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用。q成像和安全产品:现在流行的数码相机和打印机中绝大成像和安全产品:现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用部分采用ARM技术。手机中的技术。手机中的32位位SIM智能卡也采用了智能卡也采用了ARM技术。技术。qARM 原理
6、与应用原理与应用ARMARM微处理器的特点微处理器的特点 低功耗 低成本 高性能采用RISC指令集ARM技术的应用领域及特点使用大量的寄存器ARM/THUMB指令支持三/五级流水线ARM 原理与应用原理与应用ARMARM微处理器的特点微处理器的特点采用RISC体系结构ARM技术的应用领域及特点q采用采用RISC架构的架构的ARM处理器一般具有如下特点:处理器一般具有如下特点:固定长度的指令格式,指令归整、简单、基固定长度的指令格式,指令归整、简单、基 本寻本寻址方式有址方式有23种;种;使用单周期指令,便于流水线操作执行;使用单周期指令,便于流水线操作执行;大量使用寄存器,数据处理指令只对寄存
7、器进行大量使用寄存器,数据处理指令只对寄存器进行操作,只有加载操作,只有加载/存储指令可以访问存储器,以提高指存储指令可以访问存储器,以提高指令的执行效率。令的执行效率。ARM 原理与应用原理与应用ARMARM微处理器的特点微处理器的特点大量使用寄存器ARM技术的应用领域及特点qARM 处理器共有处理器共有37个寄存器,被分为若干个组,这些个寄存器,被分为若干个组,这些寄存器包括:寄存器包括:31个通用寄存器,包括程序计数器(个通用寄存器,包括程序计数器(PC 指针),指针),均为均为32位的寄存器;位的寄存器;6个状态寄存器,用以标识个状态寄存器,用以标识CPU的工作状态及程的工作状态及程序
8、的运行状态,均为序的运行状态,均为32位。位。ARM 原理与应用原理与应用ARMARM微处理器的特点微处理器的特点高效的指令系统ARM技术的应用领域及特点qARM微处理器支持两种指令集:微处理器支持两种指令集:ARM指令集和指令集和Thumb指令集。指令集。qARM指令为指令为32位的长度,位的长度,Thumb指令为指令为16位长度。位长度。Thumb指令集为指令集为ARM指令集的功能子集,但与等价的指令集的功能子集,但与等价的ARM代码相比较,可节省代码相比较,可节省3040以上的存储空间,同时具备以上的存储空间,同时具备32位代码的所有优点。位代码的所有优点。ARM 原理与应用原理与应用A
9、RMARM微处理器的特点微处理器的特点其他技术ARM技术的应用领域及特点除此以外,除此以外,ARM体系结构还采用了一些特别的技术,在体系结构还采用了一些特别的技术,在保证高性能的前提下尽量缩小芯片的面积,并降低功耗:保证高性能的前提下尽量缩小芯片的面积,并降低功耗:q所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行,所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行,从而提高指令的执行效率。从而提高指令的执行效率。q可用加载可用加载/存储指令批量传输数据,以提高数据的传输效存储指令批量传输数据,以提高数据的传输效率。率。q可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理。可在一条数据处理指令中同时完
10、成逻辑处理和移位处理。q在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率。在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率。ARM 原理与应用原理与应用ARMARM微处理器系列微处理器系列 ARM微处理器系列qARM7系列系列qARM9系列系列qARM9E系列系列qARM10E系列系列qSecurCore系列系列qIntel的的Xscaleq其中,其中,ARM7、ARM9、ARM9E和和ARM10为为4个通用处个通用处理器系列,每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同理器系列,每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。应用领域的需求。SecurCore系列专门为安全要求较高的应系列专
11、门为安全要求较高的应用而设计。用而设计。ARM 原理与应用原理与应用ARM7ARM7微处理器系列微处理器系列 qARM7系列是为低功耗的系列是为低功耗的32位位RISC处理器,最适合用于处理器,最适合用于对价位和功耗要求较高的消费类应用。对价位和功耗要求较高的消费类应用。ARM7系列有如下特系列有如下特点:点:具有嵌入式具有嵌入式ICERT逻辑,调试开发方便;逻辑,调试开发方便;极低的功耗,适合对功耗要求较高的应用,如便携式产品;极低的功耗,适合对功耗要求较高的应用,如便携式产品;能够提供能够提供0.9MIPS/MHz的三级流水线结构;的三级流水线结构;代码密度高,并兼容代码密度高,并兼容16
12、位的位的Thumb指令集;指令集;对操作系统的支持广泛,如对操作系统的支持广泛,如Windows CE、Linux、Palm OS等;等;指令系统与指令系统与ARM9系列、系列、ARM9E系列和系列和ARM10E系列兼容,便系列兼容,便于用户的产品升级换代;于用户的产品升级换代;主频最高可达主频最高可达130M,高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复,高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂应用。杂应用。ARM微处理器系列ARM 原理与应用原理与应用ARM7ARM7微处理器系列微处理器系列ARM微处理器系列q主要应用领域:工业控制、主要应用领域:工业控制、Internet设备、网络和调制设备、网络
13、和调制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。qARM7系列微处理器包括如下几种类型的核:系列微处理器包括如下几种类型的核:ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ。其。其中,中,ARM7TMDI是目前使用最广泛的是目前使用最广泛的32位嵌入式位嵌入式RISC处理处理器,属低端器,属低端ARM处理器核。处理器核。TDMI的基本含义为:的基本含义为:T:支持:支持16为压缩指令集为压缩指令集Thumb;D:支持片上:支持片上Debug;M:内嵌硬件乘法器(:内嵌硬件乘法器(Multiplier)I:嵌入式:嵌入式IC
14、E,支持片上断点和调试点;,支持片上断点和调试点;ARM 原理与应用原理与应用ARM9ARM9微处理器系列微处理器系列 ARM微处理器系列qARM9系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的表现。具有以下特点:佳的表现。具有以下特点:5级整数流水线,指令执行效率更高。级整数流水线,指令执行效率更高。提供提供1.1MIPS/MHz的哈佛结构。的哈佛结构。支持支持32位位ARM指令集和指令集和16位位Thumb指令集。指令集。支持支持32位的高速位的高速AMBA总线接口。总线接口。全性能的全性能的MMU,支持,支持Windows CE、Linux、Pa
15、lm OS等多种等多种主流嵌入式操作系统。主流嵌入式操作系统。MPU支持实时操作系统。支持实时操作系统。支持数据支持数据Cache和指令和指令Cache,具有更高的指令和数据处理能力。,具有更高的指令和数据处理能力。ARM 原理与应用原理与应用ARM9ARM9微处理器系列微处理器系列qARM9ARM9系列微处理器主要应用于无线设备、仪器仪表、安系列微处理器主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。机等。ARM微处理器系列qARM9ARM9系列微处理器包含系列微处理器包含ARM920TARM920T、AR
16、M922TARM922T和和ARM940TARM940T三三种类型,以适用于不同的应用场合。种类型,以适用于不同的应用场合。ARM 原理与应用原理与应用ARM9E微处理器系列微处理器系列 ARM微处理器系列qARM9EARM9E系列微处理器的主要特点如下:系列微处理器的主要特点如下:支持支持DSP指令集,适合于需要高速数字信号处理的场合。指令集,适合于需要高速数字信号处理的场合。5级整数流水线,指令执行效率更高。级整数流水线,指令执行效率更高。支持支持32位位ARM指令集和指令集和16位位Thumb指令集。指令集。支持支持32位的高速位的高速AMBA总线接口。总线接口。支持支持VFP9浮点处理
17、协处理器。浮点处理协处理器。全性能的全性能的MMU,支持众多主流嵌入式操作系统。,支持众多主流嵌入式操作系统。支持数据支持数据Cache和指令和指令Cache,具有更高的处理能力。,具有更高的处理能力。主频最高可达主频最高可达300M。ARM 原理与应用原理与应用ARM9EARM9E微处理器系列微处理器系列qARM9EARM9E系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、存储设备和网络设备消费品、成像设备、工业控制、存储设备和网络设备等领域。等领域。ARM微处理器系列qARM9EARM9E系列微处理器包含系列微处理器包含ARM
18、926EJ-SARM926EJ-S、ARM946E-SARM946E-S和和ARM966E-SARM966E-S三种类型,以适用于不同的应用场合。三种类型,以适用于不同的应用场合。ARM 原理与应用原理与应用ARM10EARM10E微处理器系列微处理器系列 ARM微处理器系列qARM10EARM10E系列微处理器的主要特点如下:系列微处理器的主要特点如下:支持支持DSP指令集,适合于需要高速数字信号处理的场合。指令集,适合于需要高速数字信号处理的场合。6级整数流水线,指令执行效率更高。级整数流水线,指令执行效率更高。支持支持32位位ARM指令集和指令集和16位位Thumb指令集。指令集。支持支
19、持32位的高速位的高速AMBA总线接口。总线接口。支持支持VFP10浮点处理协处理器。浮点处理协处理器。全性能的全性能的MMU,支持众多主流嵌入式操作系统。,支持众多主流嵌入式操作系统。支持数据支持数据Cache和指令和指令Cache,具有更高的处理能力,具有更高的处理能力主频最高可达主频最高可达400M。内嵌并行读内嵌并行读/写操作部件。写操作部件。ARM 原理与应用原理与应用ARM10EARM10E微处理器系列微处理器系列qARM10EARM10E系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、通信和信息系统等领域。消费品、成
20、像设备、工业控制、通信和信息系统等领域。ARM微处理器系列qARM10EARM10E系列微处理器包含系列微处理器包含ARM1020EARM1020E、ARM1022EARM1022E和和ARM1026EJ-SARM1026EJ-S三种类型,以适用于不同的应用场合。三种类型,以适用于不同的应用场合。ARM 原理与应用原理与应用SecurCoreSecurCore微处理器系列微处理器系列 ARM微处理器系列qSecurCoreSecurCore系列微处理器除了具有系列微处理器除了具有ARMARM体系结构各种主要体系结构各种主要特点外,还在系统安全方面具有如下的特点:特点外,还在系统安全方面具有如下
21、的特点:带有灵活的保护单元,确保操作系统和应用数据的安全。带有灵活的保护单元,确保操作系统和应用数据的安全。采用软内核技术,防止外部对其进行扫描探测。采用软内核技术,防止外部对其进行扫描探测。可集成用户自己的安全特性和其他协处理器。可集成用户自己的安全特性和其他协处理器。ARM 原理与应用原理与应用SecurCoreSecurCore微处理器系列微处理器系列qSecurCoreSecurCore系列微处理器主要应用于一些对安全性要求系列微处理器主要应用于一些对安全性要求较高的应用产品及应用系统,如电子商务、电子政务、较高的应用产品及应用系统,如电子商务、电子政务、电子银行业务、网络和认证系统等
22、领域。电子银行业务、网络和认证系统等领域。ARM微处理器系列qSecurCoreSecurCore系列微处理器包含系列微处理器包含SecurCore SC100SecurCore SC100、SecurCore SC110SecurCore SC110、SecurCore SC200SecurCore SC200和和SecurCore SecurCore SC210SC210四种类型,以适用于不同的应用场合。四种类型,以适用于不同的应用场合。ARM 原理与应用原理与应用StrongARMStrongARM微处理器系列微处理器系列 ARM微处理器系列qIntel StrongARM处理器是便携式
23、通讯产品和消费类电子处理器是便携式通讯产品和消费类电子产品的理想选择,已成功应用于多家公司的掌上电脑系产品的理想选择,已成功应用于多家公司的掌上电脑系列产品。列产品。qIntel StrongARM SA-1100Intel StrongARM SA-1100处理器是采用处理器是采用ARMARM体系结构高体系结构高度集成的度集成的3232位位RISCRISC微处理器。它融合了微处理器。它融合了IntelIntel公司的设计公司的设计和处理技术以及和处理技术以及ARMARM体系结构的电源效率,采用在软件上体系结构的电源效率,采用在软件上兼容兼容ARMv4ARMv4体系结构、同时采用具有体系结构、
24、同时采用具有IntelIntel技术优点的体技术优点的体系结构。系结构。ARM 原理与应用原理与应用Xscale处理器处理器 ARM微处理器系列qXscale Xscale 处理器是基于处理器是基于ARMv5TEARMv5TE体系结构的解决方案,是体系结构的解决方案,是一款全性能、高性价比、低功耗的处理器。它支持一款全性能、高性价比、低功耗的处理器。它支持1616位位的的ThumbThumb指令和指令和DSPDSP指令集,已使用在数字移动电话、个指令集,已使用在数字移动电话、个人数字助理和网络产品等场合。人数字助理和网络产品等场合。qXscale Xscale 处理器是处理器是IntelInt
25、el目前主要推广的一款目前主要推广的一款ARMARM微处理器。微处理器。ARM 原理与应用原理与应用ARMARM微处理器的工作状态微处理器的工作状态 ARM微处理器的工作状态q从编程的角度看,从编程的角度看,ARMARM微处理器的工作状态一般有两种,微处理器的工作状态一般有两种,并可在两种状态之间切换:并可在两种状态之间切换:ARM状态,此时处理器执行状态,此时处理器执行32位的字对齐的位的字对齐的ARM指指令;令;Thumb状态,此时处理器执行状态,此时处理器执行16位的、半字对齐的位的、半字对齐的Thumb指令。指令。ARM 原理与应用原理与应用ARMARM与与THUMBTHUMBqTHU
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