ARM体系结构
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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
1）程序存储器与数据存储器分开.
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
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
2015/9/288源自ARM920T系统结构分析
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。
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
Fetch Decode Execute Fetch Decode Execute Fetch Decode Execute Fetch Decode Execute Fetch Decode Fetch
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
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
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
ARM体系结构——ARM简介
文章导读
LPC2000系列CPU的核心是ARM7，由于其C语言编译器已经考虑到了许多复杂的因素，所以作为初学者无需成为一个专家就可以使用LPC2000。但是为了能够设计出可靠的应用系统和培养学习新技术的能力，作为初学者确实需要对CPU的运作机制及其独特的性能有更加深入的理解。
在连载的文章中，我们将着眼于ARM7内核，处理器状态与模式，内部寄存器，程序状态寄存器，异常、中断及其向量表和存储系统的学习，这是成为一个应用工程师必备的基础。
ARM1136JF－S就是为了进行快速浮点运算，而在ARM1136J－S增加了向量浮点单元。
9．Xscale
Xscale处理器将Intel处理器技术和ARM体系结构融为一体，致力于为手提式通信和消费电子类设备提供理想的解决方案。并提供全性能、高性价比、低功耗的解决方案，支持16位Thumb指令和集成数字信号处理（DSP）指令。
ARM926EJ－S发布于2000年，ARM9E系列为综合处理器，包括ARM926EJ－S和带有高速缓存处理器宏单元的ARM966E－S、ARM946E－S。该系列强化了数字信号处理（DSP）功能，可应用于需要DSP与微控制器结合使用的情况，将Thumb技术和DSP都扩展到ARM指令集中，并具有EmbeddedICE-RT逻辑（ARM的基于EmbeddedICE JTAG软件调试的增强版本），更好地适应了实时系统的开发需要。同时其内核在ARM9处理器内核的基础上使用了Jazelle增强技术，该技术支持一种新的Java操作状态，允许在硬件中执行Java字节码。
5．ARM7系列
ARM7TDMI是ARM公司1995年推出的第一个处理器内核，是目前用量最多的一个内核。ARM7系列包括ARM7TDMI、ARM7TDMI－S、带有高速缓存处理器宏单元的ARM720T和扩充了Jazelle的ARM7EJ－S。该系列处理器提供Thumb 16位压缩指令集和EmbeddedICE JTAG软件调试方式，适合应用于更大规模的SoC设计中。其中ARM720T高速缓存处理宏单元还提供8KB缓存、读缓冲和具有内存管理功能的高性能处理器，支持Linux和Windows CE 等操作系统。
LPC2000系列CPU的核心是ARM7，由于其C语言编译器已经考虑到了许多复杂的因素，所以作为初学者无需成为一个专家就可以使用LPC2000。但是为了能够设计出可靠的应用系统和培养学习新技术的能力，作为初学者确实需要对CPU的运作机制及其独特的性能有更加深入的理解。
在连载的文章中，我们将着眼于ARM7内核，处理器状态与模式，内部寄存器，程序状态寄存器，异常、中断及其向量表和存储系统的学习，这是成为一个应用工程师必备的基础。
ARM1136JF－S就是为了进行快速浮点运算，而在ARM1136J－S增加了向量浮点单元。
9．Xscale
Xscale处理器将Intel处理器技术和ARM体系结构融为一体，致力于为手提式通信和消费电子类设备提供理想的解决方案。并提供全性能、高性价比、低功耗的解决方案，支持16位Thumb指令和集成数字信号处理（DSP）指令。
ARM926EJ－S发布于2000年，ARM9E系列为综合处理器，包括ARM926EJ－S和带有高速缓存处理器宏单元的ARM966E－S、ARM946E－S。该系列强化了数字信号处理（DSP）功能，可应用于需要DSP与微控制器结合使用的情况，将Thumb技术和DSP都扩展到ARM指令集中，并具有EmbeddedICE-RT逻辑（ARM的基于EmbeddedICE JTAG软件调试的增强版本），更好地适应了实时系统的开发需要。同时其内核在ARM9处理器内核的基础上使用了Jazelle增强技术，该技术支持一种新的Java操作状态，允许在硬件中执行Java字节码。
5．ARM7系列
ARM7TDMI是ARM公司1995年推出的第一个处理器内核，是目前用量最多的一个内核。ARM7系列包括ARM7TDMI、ARM7TDMI－S、带有高速缓存处理器宏单元的ARM720T和扩充了Jazelle的ARM7EJ－S。该系列处理器提供Thumb 16位压缩指令集和EmbeddedICE JTAG软件调试方式，适合应用于更大规模的SoC设计中。其中ARM720T高速缓存处理宏单元还提供8KB缓存、读缓冲和具有内存管理功能的高性能处理器，支持Linux和Windows CE 等操作系统。
第三节ARM体系结构
SPSR_fiq
一般的通用寄存器
寄存器类别 寄存器在汇编中的名称
用户
系统
R0(a1)
R1(a2)
R2(a3)其中R0～R7为
R3(a4)
未R分4(v1) 组的寄存器，也
通用寄存器 和程序计数
器
就R是5(v2) 说对于任何处理 R6(v3)
器R模7(v4) 式，这些寄存器 都对应于相同的32位 R8(v5)
管理 (svc) 操作系下统保访护问代码用户模系统式复位的和寄软件存中器断响就应比时进较入方此模式
中止 (abt) 未定义 (und)
用或于存支储便 可持器虚 保，以拟护而使内存且用和操这/ 作个在A系模RM统式7TD的访MI一问没有些一大用特 些处权 受任 控务 的 支软持件硬仿资件真协源处。理器的 未定义指令异常响应时进入此模式
各模式下实际访问的寄存器
用户
系统
管理
中止
未定义
RR00
在汇编语言中寄存
R1
器R0～R1３为保存数据
R2
或地址值的通用寄存器。
R3
它们是完全通用的寄存器， R4
不会被体系结构作为特殊
R5
用途，并且可用于任何使
R6
用通用寄存器的指令。
R7
R8
R9
R10
R11
R12
R13
RR1133__ssvc
R13_abt
SSPPSSRR__fifqiq
ARM状态各模式下可以访问的寄存器
寄存器类别 寄存器在汇编中的名称
通用寄存器和 程序计数器
状态寄存器
R0 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 R11 R12 R13(SP) R14(LR) R15(PC) CPSR SPSR
一般的通用寄存器
寄存器类别 寄存器在汇编中的名称
用户
系统
R0(a1)
R1(a2)
R2(a3)其中R0～R7为
R3(a4)
未R分4(v1) 组的寄存器，也
通用寄存器 和程序计数
器
就R是5(v2) 说对于任何处理 R6(v3)
器R模7(v4) 式，这些寄存器 都对应于相同的32位 R8(v5)
管理 (svc) 操作系下统保访护问代码用户模系统式复位的和寄软件存中器断响就应比时进较入方此模式
中止 (abt) 未定义 (und)
用或于存支储便 可持器虚 保，以拟护而使内存且用和操这/ 作个在A系模RM统式7TD的访MI一问没有些一大用特 些处权 受任 控务 的 支软持件硬仿资件真协源处。理器的 未定义指令异常响应时进入此模式
各模式下实际访问的寄存器
用户
系统
管理
中止
未定义
RR00
在汇编语言中寄存
R1
器R0～R1３为保存数据
R2
或地址值的通用寄存器。
R3
它们是完全通用的寄存器， R4
不会被体系结构作为特殊
R5
用途，并且可用于任何使
R6
用通用寄存器的指令。
R7
R8
R9
R10
R11
R12
R13
RR1133__ssvc
R13_abt
SSPPSSRR__fifqiq
ARM状态各模式下可以访问的寄存器
寄存器类别 寄存器在汇编中的名称
通用寄存器和 程序计数器
状态寄存器
R0 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 R11 R12 R13(SP) R14(LR) R15(PC) CPSR SPSR
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- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
ARM是什么？ ARM为什么存在？ ARM有什么优势？ ARM体系结构的发展历程？ ARM可以应用在哪些方面？
四、ARM体系结构的发展
ARM处理器的发展
ARM是什么？ ARM为什么存在？ ARM有什么优势？ ARM体系结构的发展历程？ ARM可以应用在哪些方面？
五、ARM处理器的应用领域
被这两种RISC处理器所取得的巨大成功所鼓舞， 英国的Acorn计算机公司在1983到1985年之间也开 发出了第一代ARM RISC处理器，当时ARM还只是 Acorn RISC Machine的缩写。之后于1990年，公司 又把名字改为简单的ARM limited，并且是 Advanced RISC Machines （先进RISC机器）的缩 写。
工业控制领域 无线通讯领域 网络应用 消费类电子产品 成像和安全产品 移动互联网领域 3G领域
1.工业控制领域
作为32的RISC架构,基于ARM核的微控制 器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部 分市场份额,同时也逐渐向低端微控制器应用 领域扩展,ARM微控制器的低功耗、高性价比, 向传统的8位/16位微控制器提出了挑战。 汽车上使用的ARM设计正在进行中,包括驾 驶、安全和车载娱乐等各种功能在内的设备 有可能采用5、6个ARM微处理器统一实现。
6.移动互联网领域
ARM技术打造世界级的Web2.0产品
目前大多数智能手机采用ARM11处理器 基于Cortex-A处理器的Web2.0手机 ARMv7架构的设计为Web2.0做了专门设计
矢量浮点运算单元 Thumb-2和Thumb-2 EE指令用于解释器和JITs NEON SIMD技术
美国加州大学伯克利分校的Patterson教授领导 的研究生团队设计和实现了“伯克利RISC I”处理 器，他们在此基础之上又发展了后来SUN公司的 SPARC系列RISC处理器，并使得采用该处理器的 SUN工作站名振一时。 与此同时，斯坦福大学也在RISC研究领域取得了 重大进展，开发并产业化了MIPS（ Million Instructions Per Second ）系列RISC处理器。 我国的龙芯处理器以MIPS为基础发展而来
ARM命名举例
核 体系结构
ARM1
ARM2 ARM2aS，ARM3
V1
V2 V2a
ARM6，ARM600，ARM610
ARM7，ARM700，ARM710 ARM7TDMI，ARM710T，ARM720T ARM740T Strong ARM，ARM8，ARM810 ARM9TDMI，ARM920T，ARM940T ARM9E-S ARM10TDMI，ARM1020E ARM11，ARM1156T2-S，ARM1156T2F-S，ARM1176JZ-S， ARM11JZF-S
7. 3G领域
ARM+Android产品
最新ARM处理器的特点及应用
单核变双核、以及更多核 主频升高、现在达到2.X GHz甚至更高 多媒体性能大幅增强 内嵌的图形显示芯片越来越强劲 大数据量的存储介质支持 无线功能集成：WIFI Java指令集支持
ARM Offices Worldwide
2.无线通讯领域
目前已有超过85%的无线通讯设备（手机等）采 用了ARM技术,在PDA（ Personal Digital Assistant ， 掌上电脑）一类的手持设备中,ARM针对视频流进行 了优化,并获得广泛的支持。 ARM已经为蓝牙的推广做好了准备,有20多家公 司的元器件产品采用了ARM技术,如爱立信、英特尔、 科胜讯、朗讯、阿尔卡特、飞利浦、德州仪器等。 ARM以其高性能和低成本，在该领域的地位日益 巩固。
ARM简介
钱松荣 复旦大学信息学院
主要内容
ARM是什么？ ARM为什么存在？ ARM有什么优势？ ARM体系结构的发展历程？ ARM可以应用在哪些方面？ ARM体系结构
ARM是什么？ ARM为什么存在？ ARM有什么优势？ ARM体系结构的发展历程？ ARM可以应用在哪些方面？
2.ARM公司的优势
ARM公司是专门从事基于RISC技术芯片设 计开发的公司,作为知识产权供应商,本身不直 接从事芯片生产,靠转让设计许可由合作公司 生产各具特色的芯片。 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处理器 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。
2015/10/1
基于ARM Architecture的版本命名
规则： | ARMv | n | variants | x（variants） | 分成四个组成部分： · ARMv -- 固定字符，即ARM Version · n -- 指令集版本号。迄今为之，ARM架构版本发布了7个系列， 所以n=[1:7]。其中最新的版本是第7版 · variants -- 变种。 · x（variants） -- 排除x后指定的变种 常见的变种有： · T -- Thumb指令集 · M -- 长乘法指令 · E -- 增强型DSP指令 · J -- Java加速器Jazelle · SIMD -- ARM媒体功能扩展 例如，ARMv5TxM表示ARM指令集版本为5，支持T变种，不支 持M变种
2015/10/1
V3
V3 V4T V4 V4T V5TE V5TE V6
ARM的命名规则
ARM的命名分成两类：
基于ARM Architecture的版本命名规则； 基于ARM Architecture版本的处理器系列命名规则。
举个例子，s3c2410采用ARMv4T架构版本， ARM920T处理器系列，其中处理器核为 ARM9TDMI。
一、ARM是什么
ARM——Advanced RISC Machines ARM——高级RISC微处理器 一家公司 一种技术 一类微处理器
1.ARM公司
ARM英文全称Advanced RISC Machines， 是英国一家电子公司的名字，该公司成立于 1990年11月，是苹果电脑，Acorn电脑集团 和VLSI Technology的合资企业。 RISC（reduced instruction set computer， 精简指令集计算机）是一种执行较少类型计 算机指令的微处理器，它能够以更快的速度 执行操作。
ARM是什么？ ARM为什么存在？ ARM有什么优势？ ARM体系结构的发展历程？ ARM可以应用在哪些方面？
二、ARM为什么存在
RISC体系结构 ARM的诞生
1.RISC体系结构
传统的CISC（Complex Instruction Set Computer,复杂 指令集计算机）体系由于指令集庞大，指令长度不固定，指 令执行周期有长有短，使指令译码和流水线的实现在硬件上 非常复杂，给芯片的设计开发和成本的降低带来了极大困难。 随着计算机技术的发展需要不断引入新的复杂的指令集, 为支持这些新增的指令,计算机的体系结构会越来越复杂。然 而,在CISC指令集的各种指令中,其使用频率却相差悬殊,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％,显然, 这种结构是不太合理的。
针对这些明显的弱点，1979年美国加州大学伯 克利分校提出了RISC（Reduced Instruction Set Computer,精简指令集计算机）的概念,RISC并非只 是简单地去减少指令,而是把着眼点放在了如何使计 算机的结构更加简单合理地提高运算速度上。 RISC结构优先选取使用频率最高的简单指令,避 免复杂指令;将指令长度固定,指令格式和寻址方式种 类减少;以控制逻辑为主,不用或少用微码控制等措施 来达到上述目的。
2.ARM技术
ARM也可以理解为是一种技术，ARM公司 是专门从事基于RISC技术芯片设计开发的公 司，作为知识产权供应商，本身不直接从事 芯片生产，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。
3.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进行了优化,并获得广泛 支持,也对DSP的应用领域提出了挑战。
4.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。
5.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。 GSM（全球移动通信系统） 和3G手机中的32位SIM智能卡也采用了ARM 技术。
800+ 雇/10/1
ARM体系结构
第一章
ARM概述和分类
ARM分类
基于指令集体系结构（构架ISA）的分类
ARM V1 体系是最初版本，只有26位的寻址空间，没有乘法指令
，最终没有商业化 ARM V2 体系与V1体系同为26位寻址空间，具有乘法和加法指令 ，支持协处理器 ARM V3 体系的寻址范围扩展到32位，具有乘法和加法指令，支 持协处理器 ARM V4 体系增加了半字存储操作，对调试的支持以及支持嵌入 的ICE ARM V5 体系增加了DSP指令支持和对Java指令的支持 ARM V6 体系增加了媒体指令，ARMv6指令集合中加入了超过60 条SIMD单指令多数据指令 ARM V7 体系定义了三种独立的内核型－－A(应用领域)， R( 实时领域)，M(控制领域)