ARM系统体系架构
ARM体统体系架构
ARM平台可以采用核心主板加扩展板的设计方式，基于ARM微处理器芯片的核心主板，能将ARM所有的I／O全部引出，在核心主板上面只提供最基本的接口；而对于一些
特殊用途的USB接口、以太网接口、LCD接口，以扩展板形式提供。
ARM模块部分是其一个重要的组成部分，在系统中ARM模块主要负责系统控制部分，其硬件体系结构灵活、接口丰富。
核心包括嵌入式ARM CPU及必需的SDRAM和Hash 等器件，通过表贴封装的双排插针将各信号线及控制线引出。
这样，只需要设计不同的扩展板即可实现不同的系统功能，节约了开发成本并提高了平台的灵活性。
软件开发方面，如果采用Linux开放源代码进行开发，可以大大降低开发成本，加快软件的开发过程，并有利于后期开发。
1．硬件体系结构
嵌入式系统硬件平台结构主要分为2大部分：一部分为系统主板，为基于ARM的最小系统，包括ARM CPU、∏ash、SDRAM、串口、键盘等最基本部分；另一部分为系统扩展板，提供了用于完成各个不同硬件的功能模块。
常用的嵌入式外围设备则有存储设备、通信设各和显示设备三类。
相关支撑硬件包括显示卡、存储介质（ROM和RAM等）、通信设备、IC卡或信用卡的读取设备等。
嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统，它不具备像硬盘那样大容量的存储介质，而大多使用闪存（∏ash Memory）作为存储介质。
整个系统硬件结构如图1所示，主要组成部分及其功能如表1所示。
图1 ARM嵌入式硬件平台
表1 系统硬件主要组成及其功能描述
另外，系统总线扩展引出数据总线、地址总线和必需的控制总线，便于用户根据自身的特定需求，扩展外围电路。
在选择嵌入式系统的硬件时，最重要的是要先选择ARM处理器类型，因为ARM处理器不仅决定整个系统的性能，而且影响其他硬件的选用，以及操作系统和软件代码的配置。
一个设计好的ARM核心板硬件如图2所示。
图2 ARM核心板硬件图
软件体系结构
嵌入式软件包括与硬件相关的底层软件、操作系统、图形界面、通信协议、数据库系统、标准化浏览器和应用软件等。
其中，嵌入式操作系统是用来支持嵌入式应用的系统软件，通常包括与硬件柑关的底层驱动程序、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形用户界面（GUI）等。
1．开发环境及工具
目前流行的嵌入式操作系统主要有VxWorks，WindowsCE，Linux等，由于Linux
的源码开放性、内核可裁剪性、在图像处理、文件管理及多任务支持等诸多方面的特点，使得它成为一款应用比较广泛的嵌入式操作系统。
考虑到以上几个方面的原因，以及应用于对实时性要求不是很高的场合，可以选用嵌入式Linux作为此平台的操作系统．Linux与商业用的嵌八式操作系统比较，好处如表2所示。
表2 Linux作为嵌入式系统开发的好处
有些观点认为Linux过于庞大不宜用于嵌入式系统，这种观点比较片面。
面向PC的Linux标准发行版（如Fedora，Mandrake，Debian）包括服务器、工作站版本，这些版本在功能上是一个工作站和服务器的应用平台的超集，许多功能大大超出了一个嵌入式操作系统的需求。
同时，由于Linux操作系统的核心和应用程序是分离的，整个系统有较好的
模块化设计，并且它上面各种程序（包括核心本身）的源代码是公开的。
因此，可以在各个层次上，对Linux进行精心的定制和开发，以提供一个基本的运行平台和开发环境｀以便
于针对特定应用可以开发出一个具有实用性的嵌入式应用系统。
在开发环境方面，ARM ADS或SDT在没有硬件环境的情况下，可以提供软件模拟硬件环境进行软件开发，即ARMulate模式在计算机上模拟调试。
利用这种模式，可以在没
有仿真器的情况下，编写MemTest汇编测试程序，然后利用简易的JATG探头将目标文
件下载到硬件开发板进行调试。
如果经过测试，核心硬件板达到设计的各方面要求，在稳定时钟频率下运行正常，数据及程序空间全部可访问，即可满足嵌入Linux的硬件要求。
2．硬件驱动程序
底层硬件驱动程序是嵌入式系统软件开发的第一个环节，它紧密地将软硬件衔接在一起，涉及许多硬件相关的知识。
对底层硬件驱动程序的了解，是深入理解嵌入式系统工作原理最有效的手段，同时也是进一步开发基于嵌入式操作系统的设备驱动程序的基础。
Linux的设备驱动程序，对于各个体系结构而言基本框架都是一样的，所以只需要学会如何在PC上编写设备驱动，就可以很容易编写基于ARM Linux的设备驱动。
第2章 ARM体系结构
• 控制位
–
程序状态寄存器PSR（Program Status Register）的最低8位I、F、T和 M[4：0]用作控制位。当异常出现时改变控制位。处理器在特权模式 下时也可由软件改变。
• 中断禁止位 I：置1，则禁止IRQ中断； F：置1，则禁止FIQ中断。 • T位 T=0 指示ARM执行； T=1 指示Thumb执行。 • 模式控制位 M4、M3、M2、Ml和M0（M[4:0]）是模式位，决定处理器 的工作模式，如表2.3.1所列。
6 （最低）
6 5
数据中止
IRQ （外部中断请求） FIQ （快速中断请求）
中止（数据）
IRQ FIQ
中止模式
IRQ FIQ
0x0000,0010
0x0000,0018 0x0000,001C
2
4 3
2.4.2 异常类型的含义
（1）复位
• • 处理器的复位电平有效时，产生复位异常 当ARM处理器或协处理器遇到不能处理的指令时，产生未定义指令异常
2.4 ARM微处理器的异常处理
• 异常：在一个正常的程序流程执行过程中，由内 部或外部源产生的一个事件使正常的程序产生暂 时的停止，称之为异常。
2.4.1 ARM体系结构的异常类型
• ARM体系结构支持7种类型的异常
• 异常出现后，强制从异常类型对应的固定存储器地址开始 执行程序。这些固定的地址称为异常向量（Exception Vectors）。
M[4:0]模式控制位
M[4： 0] 10000 10001 10010 10011 10111
处理器工作 模式 用户模式 FIQ模式 IRQ模式 管理模式 中止模式
可访问的寄存器 PC，CPSR，R14～R0 PC，R7～R0，CPSR, SPSR_fiq，R14_fiq～ R8_fiq PC，R12～R0，CPSR, SPSR_irq，R14_irq， R13_irq PC，R12～R0, CPSR, SPSR_svc，R14_svc， R13_svc PC，R12～R0, CPSR, SPSR_abt，R14_abt， R13_abt
单片机课件第二章 ARM体系结构
2.5
ARM微处理器指令系统
2.5.1 基本寻址方式
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。
1.寄存器寻址
操作数的值在寄存器中，指令中的地址码字段给出的是寄存器编 号，指令执行时直接取出寄存器值操作。
例如指令： MOV R1,R2 SUB R0,R1,R2
11111
系统模式
PC，R14～R0，CPSR（ARM v4及以上版本）
并非所有的模式位组合都能定义一种有效的处理器模式。其他组合的 结果不可预知。
2.2 ARM微处理器的寄存器结构
2.2.4 Thumb状态的寄存器集
2.2 ARM微处理器的寄存器结构
2.2.4 Thumb状态的寄存器集
Thumb 状态的寄存器在ARM 状态的寄存器上的映射
在Thumb状态下，程序计数器PC（Program Counter）使用位[1]选 择另一个半字。ARM处理器在两种工作状态之间可以切换。
Thumb状态：当操作数PSR控制位T为1时，执行BX指令进入Thumb 状态。如果处理器在Thumb状态进入异常，则当异常处理（IRQ、 FIQ、Undef、Abort和SWI）返回时，自动转换到Thumb状态。（异 常都是在ARM 状态中执行） ARM状态：当操作数PSR控制位T为0时，执行BX指令进入ARM状态 ；处理器发生异常（IRQ、FIQ、Reset、Undef、Abort和SWI）。在 此情况下，把PC内容复制到异常模式的链接寄存器中，并且异常处 理将从异常向量地址开始。
sys（系统模式）：运行具有特权的操作系统任务。
und（未定义指令中止模式）：当未定义的指令执行时进入该 模式，可用于支持硬件协处理器的软件仿真。
ARM体系架构解析ppt课件
2）提供了较大的存储器带宽，各自有自己的
总线。
3）适合于数字信号处理.
4）大多数DSP都是哈佛结构.
5）ARM9是哈佛结构
6）取指和取数在同一周期进行，提高速度，
改进哈佛体系结构分成三个存储区：程序、数据、
程序和数据共用。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
6）将结果回写到寄存器组（res）
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
流水线技术
❖
三级流水线技术
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
因此，把它称为流水线工作方式。
处理器按照一系列步骤来执行每一条指令。典
型的步骤为：
1）从存储器读取指令（fetch）
2）译码以鉴别它是哪一类指令（dec）
3）从寄存器组取得所需的操作数（reg）
4）将操作数进行组合以得到结果或存储器地址（exe）
5）如果需要，则访问存储器存取数据（mem）
冯·诺依曼体系的特点
1）数据与指令都存储在同一存储区中，取指
令与取数据利用同一数据总线。
❖ 2）被早期大多数计算机所采用
❖ 3）ARM7——冯诺依曼体系
❖
结构简单,但速度较慢。取指不能同时取数据
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
arm体系结构的特点
arm体系结构的特点ARM体系结构是一种基于RISC（精简指令集电脑）的微型计算机体系结构，它以其高效性和低功耗的特点，成为现代移动设备、智能家居、嵌入式系统等领域的首选芯片。
ARM体系结构的特点如下：1. RISC（精简指令集电脑）体系结构：ARM体系结构以RISC体系结构为基础，相对于CISC（复杂指令集电脑）体系结构而言，指令集更加精简，每个指令执行时间更短。
这种短指令集的优点是更易于实现，并且需要更少的晶体管，从而降低了芯片成本和能源消耗。
2.可扩展型：ARM芯片的内存和外设都可以进行扩展，这使得ARM芯片非常灵活。
用户可以根据实际需求自由添加外围设备和扩展内存，以满足具体的应用要求。
3.处理速度快：ARM芯片通常是多核心的，每个核心都可以执行多个指令，具有各自的缓存，这使得ARM芯片的速度非常快。
在一些高效的应用场合，ARM芯片的速度甚至可以与桌面计算机的处理器相媲美。
4.低功耗：ARM体系结构的低功耗性质也是其的一大特点。
ARM芯片处理器消耗的能量非常少，由于嵌入式系统、移动设备等对能源的限制，ARM低功率处理器在这些设备中应用广泛。
5.易于编程：ARM处理器可以执行任何基本的计算机操作，比如移位、逻辑操作等，这使得编写程序变得简单易行。
在一些专门为ARM芯片设计的编程平台上，开发者很容易编写出高效率的代码。
6.架构标准一致：ARM芯片的设计标准化非常高，这使得基于ARM芯片设计的设备之间的兼容性极高。
如果您在设计设备时使用ARM芯片，您可以放心，您的设备可以与大多数其他ARM芯片的设备以及开发板互通。
7.多种寄存器存储器模式：不同于其他流行的体系结构，ARM体系结构支持多种寄存器存储器模式，从而可以有效地存储更多数据。
这是ARM芯片与其他芯片最显著的不同之处之一。
总之，ARM体系结构作为一种低功耗、高效、易于编程的微型计算机体系结构，成为多种领域的首选芯片。
随着技术的不断发展，ARM芯片的性能和价格都在不断提升，这将进一步拓展ARM芯片的应用范围。
ARM体系结构与编程
ARM体系结构与编程
一、ARM体系结构
ARM(Advanced RISC Machine)是由英国ARM公司开发的一种低功耗、超低成本的处理器架构，是移动设备的首选处理器。
ARM架构的处理器有ARM7、ARM9、ARM11、 Cortex-A8 、Cortex-A15等，它们核心架构特点为以下几点：
1.保护模式。
ARM架构的处理器能够在用户模式和两个高级的保护模式之间来回切换。
2.对齐式存储。
ARM架构的处理器采用对齐方式，其二进制指令必须按照固定的位置排列，以便提高存储空间的利用率。
3.浮点处理单元。
ARM架构的处理器具有浮点数处理功能，使数值运算能够高效率地完成。
4.多级缓存。
ARM架构的处理器将原始数据复制到不同级别的快速缓存中，以便快速访问。
二、ARM程序的编程
1、ARM程序的编写
ARM程序的编写可以使用C语言编写，程序开发者需要掌握ARM架构各种中央处理器扩展指令集的使用方法，以便获得更好的效率。
2、编译ARM程序
ARM程序的编译是使用GNU的gcc编译器进行的，它可以将C语言编写的程序编译成ARM架构的机器码，并可以在ARM架构的处理器上运行。
3、调试ARM程序
ARM程序的调试使用GDB程序调试，它可以提供丰富的调试工具，可以跟踪程序执行的步骤，提供全面的程序反馈信息，可以帮助开发者快速定位程序运行出错的地方。
三、总结。
ARM体系结构
ARM9TDMI处理器一个显著的特点是采用 指令和数据分离访问的方式，即采用了指令 缓存（I-Cache）和数据缓存（D-Cache）。 这样可以把指令访问和数据访问单独安排1级 流水线。
2015/9/28
9
ARM9处理能力的提高是通过增加时钟频率和减少指令执行周期实 现的。 （1）时钟频率的提高 ARM9采用了五级流水线，而ARM7采用的是三级流水线，ARM9增 加的流水线设计提高了时钟频率和并行处理能力。五级流水线能够将各 条指令处理分配到5个时钟周期内，在每个时钟周期内同时有5条指令在 执行。在同样的加工工艺下，ARM9 TDMI处理器的时钟频率是ARM7 TDMI的2倍左右。 （2）指令周期的改进 指令周期的改进有助于处理器性能的提高。性能提高的幅度依赖于 代码执行时指令的重叠。 ① load指令和store指令 指令周期数改进最明显的是load指令和store指令。 ② 互锁(interlock)技术 当指令需要的数据因为以前的指令没有执行完，将产生管道互锁。管
操作系统的保护模式 指令或数据预取操作中止时的模 式，该模式下实现虚拟存储器或 存储器保护 当执行未定义的指令时进入该模 式 响应普通中断时的处理模式
未定义模式 IRQ模式
Und Irq
FIQ模式
Fiq
响应快速中断时的处理模式
2015/9/28
21
处理器工作模式
ARM微处理器的运行模式可以通过软件改变，也可以通 过外部中断或异常处理改变。 大多数的应用程序运行在用户模式下，当处理器运行在 用户模式下时，某些被保护的系统资源是不能被访问的。 除用户模式以外，其余的6种模式称为非用户模式或特 权模式； 除去用户模式和系统模式以外的5种又称为异常模式， 常用于处理中断或异常，以及访问受保护的系统资源等情 况。
ARM体系架构
该例中用6个时钟周期执行了6条指令 所有的操作都在寄存器中（单周期执行） 指令周期数 (CPI) = 1
高速缓存（CACHE）
1、为什么采用高速缓存 微处理器的时钟频率比内存速度提高快得多，高速缓存可以提 高内存的平均性能。
2、高速缓存的工作原理 高速缓存是一种小型、快速的存储器，它保存部分主存内容的
拷贝。
高 数据
速
CACHE
CPU
缓 存
主存
控
制
地址
器
数据
总线和总线桥
CPU
高速总线
低速设备
低速总线
软硬功能分配 复杂指令增加硬件的复杂度，使指令执行周期大大加长 ，直接访存次数增多，数据重复利用率低。
不利于先进指令级并行技术的采用 流水线技术
RISC基本设计思想
精简指令集：保留最基本的,去掉复杂、使用频度不高的指令 （选取运算指令、加载、存储指令和转移指令作主指令集） ，以减小CPI: CPUtime=Instr_Count * CPI * Clock_cycle
CISC的主要缺点
指令使用频度不均衡。 高频度使用的指令占据了绝大部分的执行时间，扩充的 复杂指令往往是低频度指令。
大量复杂指令的控制逻辑不规整，不适于VLSI工艺 VLSI的出现，使单芯片处理机希望采用规整的硬联逻辑 实现，而不希望用微程序，因为微程序的使用反而制约 了速度提高。(微码的存控速度比CPU慢5-10倍)。
IC—程序中指令数，CPI—每条指令执行所有周期数
ARM9体系结构
• ARM状态 ， 处理执行32位的ARM指令 字对 齐
• Thumb状态，处理执行16位的Thumb指令 半 字对齐
如果在1K的存储空间中，可以放32条ARM指令 ，就可以放64条Thumb指令，因此在存放 Thunb指令时，代码密度高
处理器 状态切换
▪将CPSR寄存器内容存入IRQ模式
的SPSR寄存器
程
序
▪置位I位（禁止IRQ中断）
▪清零T位（进入ARM状态）
▪设置MOD位，切换处理器模式至IRQ 模式
▪将下一条指令的地址存入IRQ模式 的LR寄存器
寄 存 器
组
▪将跳转地址存入PC，实现跳转
图示进入异常过程
系统(用户)模式
简单的单周期指令，
软件完成 简 单 的 寻 址 模 式 ， 仅 允 许 LOAD 和 STORE指令存取内存，其它所有的操 作都基于寄存器到寄存器
寄存器数目 寄存器较少
寄存器较多
CISC VS RISC
ARM9TDMI
• Harvard架构
– 增加了可用的存储器宽度
指令存储器接口 数据存储器接口
与User模式的运行环境一样 但是它可以不受任何限制的访问任何资源 该模式主要用于运行系统中的一些特权任务
FIQ模式 IRQ模式 Supervisor模式 Abort模式 Undefined模式
异常模式：主要是在外部中断 或者程序执行非法操作时会触
发
ARM微处理器：寄存器
• ARM处理器有37个寄存器
哈佛结构
分开存储、独立编址、两倍带宽 、执行效率更高
指令集系统
嵌入式微处理器的指令系统可采用精简指令集系统RISC（Reduced Instruction Set Computer）或复杂指令集系统CISC（Complex Instruction Set Computer）
ARM架构
R13(SP)
R13
R13
R13_svc R13_svc R14_svc R14_svc
2-3-1 ARM状态下的寄存器组织
寄存器类别 寄存器在汇编中的名 称 用户 用户 R0(a1) R1(a2) R2(a3) R3(a4) R4(v1) R5(v2) R6(v3) 通用寄存器 和程序计数 器 R7(V4) R8(V4) R9(SB,v6) R0 R0 R1 R1 R2 R2 R3 R3 R4 R4 R5 R5 R6 R6 R7 R7 R8 R8 R9 R9 R10 R10 R11 R11 R8 R9 各模式下实际访问的寄存器 系统 系统 管理 管理 中止 中止 R0 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8_fiq R8_fiq R9_fiq R9_fiq R10_fiq R10_fiq R11_fiq R11_fiq 未定义 未定义 中断 中断 快中断 快中断
1-4-1 常见ARM微处理器系列介绍
ARM9系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供 最佳的性能：
5级整数流水线，指令执行效率更高。 提供1.1MIPS/MHz的哈佛结构。 支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。 支持32位的高速AMBA总线接口。 全性能的MMU，支持Windows CE、Linux、Palm OS 等多种主流 嵌入式操作系统。 MPU支持实时操作系统。 支持数据Cache和指令Cache，具有更高的指令和数据处理能力。
2-1 ARM微处理器的工作状态
处理器状态: ARM9处理器内核使用V4T版本的ARM结构，具有 两种操作状态：
ARM状态：32位，这种状态下执行的是字方式的ARM指令 Thumb状态：16位，这种状态下执行半字方式的ARM指令。
1、ARM体系结构
ARM全球合作伙伴（合作模型）
ARM产品应用领域
Samsung ML5100A Diamond Multimedia Rio 600 JVC "Pixstar" GC-X1 Alba Bush Internet TV
3Com 10/100 PCI NIC
Nintendo Gameboy Advance Lexmark Z52 Color Jetprinter HP Jornado 820
5TE
XScale ARM1020E
6
Thumb-2 SIMD Instructions Multi-processing
7
CoreSight
Improved ARM/Thumb ARM9E-S Interworking ARM966E-S CLZ Saturated arithmetic DSP multiplyaccumulate instructions Extensions: Jazelle (5TEJ)
• •
该例中，用6周期执行了4条指令 指令周期数 (CPI) = 1.5
分支流水线举例
Cycle 1 2 L 3 4 5 6 7 8 9
Address
0x8000 0x8004 0x8008 0x8FEC 0x8FF0 0x8FF4
Operation
BL 0x8FEC SUB ORR AND ORR EOR
Iomega HipZip
Sony MZ-R90 MiniDisc
Ericsson R38Share
Nokia Mediamaster
Psion Revo Plus
ARM体系结构的发展
4T
Halfword and signed halfword / byte support System mode Thumb instruction set ARM7TDMI ARM720T ARM9TDMI ARM940T ARM920T