2 arm体系结构

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Thumb指令集
Thumb指令可以看作是ARM指令压缩形式的子集, 是针对代码密度的问题而提出的,它具有16位的代码 密度。 Thumb不是一个完整的体系结构,不能指望处理 只执行Thumb指令而不支持ARM指令集。因此,Thumb 指令只需要支持通用功能,必要时可以借助于完善的 ARM指令集。


ARM状态 Thumb状态。
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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]）为0 时，执行BX指令。
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（4） V4版架构
V4版架构在V3版上作了进一步扩充，V4版架构是目 前 应 用 最 广 的 ARM 体 系 结 构 ， ARM7、ARM8、 ARM9和StrongARM都采用该架构。指令集中增加了 以下功能： 符号化和非符号化半字及符号化字节的存/取指令； 增加了16位Thumb指令集； 完善了软件中断SWI指令的功能； 处理器系统模式引进特权方式时使用用户寄存器操作; 把一些未使用的指令空间捕获为未定义指令。
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ARM7的3级流水线
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ARM9的5级流水线 ARM9和StrongARM架构都采用了5级流 水线.



增加了I-Cache和D-Cache，把存储器的取指与数据存 取分开(解决数据相关及指令、数据同一通道问题）； 增加了数据写回的专门通路和寄存器； 把指令的执行过程分割为5部分: 取指->指令译码->执行->数据缓存->写回
8
ARM指令集体系结构版本
（1）V1版架构

该版架构只在原型机ARM1出现过，没有用于商业产品。 其基本性能有: 基本的数据处理指令（无乘法）； 基于字节、半字和字的Load/Store指令; 转移指令，包括子程序调用及链接指令； 供操作系统使用的软件中断指令SWI； 寻址空间：64MB（226）; 软件中断 26 bit 地址总线。
第二部分 ARM9处理器硬件平台
主要内容：

ARM处理器概述 ARM9处理器S3C2410A硬件介绍

1
ARM处理器概述

ARM简介

ARM指令集体系结构版本与处理器系列
ARM处理器结构

2
ARM简介
ARM（Advanced RISC Machines），既 可以认为 是一个公司的名字，也可以认为 是对一类微处理器的通称，还可以认为是 一种技术的名字。 ARM公司(1991年ARM公司成立于英国剑 桥)本身不生产芯片，转让设计许可，由合 作公司生产各具特色的芯片。
15
ARM处理器结构

处理器的工作状态 RISC技术 流水线技术 超标量执行 数据存储 ARM指令与Thumb指令
16
ARM状态和Thumb状态
V4版以后有：

32位ARM指令集 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：
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变址寻址－将基址寄存器的内容与指令中给出的位移量相 加，形成操作数有效地址。 多寄存器寻址－一次可以传送几个寄存器的值。允许一条 指令传送16个寄存器的任何子集。 堆栈寻址－堆栈是特定顺序进行存取的存储区，操作顺序 分为“后进先出”和“先进后出”，堆栈寻址是隐含的， 它使用一个专门的寄存器（堆栈指针）指向一块存储区域 （堆栈），指针所指向的存储单元就是堆栈的栈顶。 块拷贝寻址－多寄存器传送指令用于一块数据从存储器的 某一位置拷贝到另一位置。 相对寻址－相对寻址是变址寻址的一种变通，由程序计数 器PC提供基地址。指令中的地址码字段作为位移量。
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网络应用： 随着宽带技术的推广，采用ARM技术的ADSL芯片正逐 步获得竞争优势。此外，ARM在语音及视频处理上行了优 化，并获得广泛支持，也对DSP的应用领域提出了挑战。 消费类电子产品： ARM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。 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ARM技 术。手机中的32位SIM智能卡也采用了ARM技术。
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（2）V2版架构
该版架构对V1版进行了扩展，例如ARM2和ARM3 （V2a）架构，版本2a是版本2的变种，ARM3芯片采用 了版本2a。V2版架构与版本V1相比，增加了以下功能： 乘法和乘加指令(Multiply & Multiply-accumulate)； 支持协处理器操作指令； 支持线程同步 快速中断模式； SWP/SWPB的最基本存储器与寄存器交换指令; 寻址空间：64MB; 26 bit 地址总线。
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超标量执行
通过重复设置多套指令执行部件，同时处理并完成多条 指令，实现并行操作，来达到提高处理速度的目的。所有 ARM内核，包括流行的ARM7、ARM9和ARM11等，都是单周期 指令机。ARM公司下一代处理器将是每周期能处理多重指令 的超标量机。但是： 超标量处理器在执行的过程中必须动态地检查指令相关性 如果代码中有分支指令； 我们必须将分支被执行和分支不被执行这两种情况分开考 虑计算执行时间几乎是不可能的； 计算执行时间几乎是不可能的； 超标量CPU采用多条流水线结构形式
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目前，采用ARM技术知识产权（IP）核的微处 理器，即我们通常所说的ARM微处理器已遍及工 业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、 无线系统等各类产品市场，基于ARM技术的微处 理器应用约占据了32位RISC微处理器75％以上的 市场份额，ARM技术正在逐步渗入到我们生活的 各个方面。
4
世界各大半导体生产商从ARM公司购买其设计 的ARM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，从而形成自己的ARM微处理器 芯片进入市场。 目前，全世界有几十家大的半导体公司都使用 ARM公司的授权，因此既使得ARM技术获得更多的 第三方工具、制造、软件的支持，又使整个系统 成本降低，使产品更容易进入市场被消费者所接 受，更具有竞争力。
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（5）V5版架构
V5版架构是在V4版基础上增加了一些新的指令， ARM10和Xscale都采用该版架构。这些新增命令有： 带有链接和交换的转移BLX指令； 计数前导零CLZ指令； BRK中断指令； 增加了数字信号处理指令（V5TE版）； 为协处理器增加更多可选择的指令。

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ARM存储数据类型
ARM处理器支持以下六种数据类型：


8位有符号和无符号字节。 16位有符号和无符号半字，以2字节的边界对齐。 32位有符号和无符号字，以4字节的边界对齐
ARM 采用的是32位架构 ARM 约定: Byte ： 8 bit Halfword ：16 bits (2 byte) Word : 32 bits (4 byte)
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ARM处理器寻址方式
寻址方式:
是根据指令中给出的地址码字段来实现寻找 真实操作数地址的方式，ARM处理器有9种基本 寻址方式。
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寄存器寻址－操作数的值在寄存器中，指令执行时直 接取出寄存器值操作。 立即寻址－指令中在操作码字段后面的地址码部分不 是通常意义上的操作数地址，而是操作数本身。 寄存器移位寻址－这种寻址方式是ARM指令集特有的。 第2个寄存器操作数在与第1个操作数结合之前，选择 进行移位操作。 寄存器间接寻址－指令中的地址码给出某一通用寄存 器的编号。在被指定的寄存器中存放操作数的有效地 址，而操作数则存放在存储单元中，即寄存器为地址 指针。
V3版架构




V3版架构对ARM体系结构作了较大的改动： 寻址空间增至32位（4GB）； 当前程序状态信息从原来的R15寄存器移到当前程序 状 态 寄 存 器 CPSR 中 （ Current Program Status Register）; 增加了程序状态保存寄存器SPSR（Saved Program Status Register）； 增加了中止（Abort）和未定义2种处理器模式； 增加了MRS/MSR指令，以访问新增的CPSR/SPSR 寄存器； 增加了从异常处理返回的指令功能。
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（6）V6版架构
V6版架构是2001年发布的，首先在2002年春季发 布的ARM11处理器中使用。此架构在V5版基础上增 加了以下功能： THUMBTM：35%代码压缩； DSP扩充：高性能定点DSP功能； JazelleTM：Jova性能优化，可提高8倍； Media扩充：音/视频性能优化，可提高4倍。
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Thumb指令集与ARM指令集的区别
Thumb指令集没有: 协处理器指令;信号量指令;访问CPSR或SPSR 的指令;乘加指令及64位乘法指令等 Thumb指令的第二操作数受到限制; 除了跳转指令B有条件执行功能外,其它指令 均为无条件执行; 大多数Thumb数据处理指令采用2地址格式

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RISC技术Ⅱ
ARM体系结构还采用了一些特别的技术：


所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行，提 高了指令的执行效率。 可用Load/Store指令批量传输数据，以提高数据的传输 效率。 可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理。
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流水线技术
计算机中的1条指令的执行分若干个阶段： (1)取指，从存储器中取出指令(fetch)； (2)译码，指令译码(dec)： (3)取操作数，从寄存器组中取(reg)； (4)执行运算(ALU)； (5)存储器访问，操作数与存储器有关(mem)； (6)结果写回寄存器(res)。