ARM微处理器硬件架构!
Cortex-M3_技术介绍
• ARM微处理器及其发展
ARM微处理器的几个系列：
ARM7系列、ARM9系列、 ARM9E系列、 ARM10E系列、 SecurCore系列、Intel的XScale系列、 Cortex系列。
ARM体系结构的发展：
（1）V1~V3版本； （2）V4T版本； （3）V5版本； （4）V6版本； （5）V7版本。
Avatar Semiconductor Co.
选择ARM处理器，ARM7还是 Cortex-M3
Avatar Semiconductor Co.
决策：
那么，你应该如何做出何种选择呢？ 如果成本是最主要考虑因素，您应该选择Cortex-M3； 如果在低成本的情况下寻求更好的性能和改进功耗，您应 该考虑选用Cortex-M3；特别是如果你的应用是汽车和无 线领域，可以采用Cortex-M3，这也正是Coretex-M3的主 要定位市场。 由于Cortex-M3内核中的多种集成元素以及采Thumb-2 指令集，其开发和调试比ARM7TDMI要简单快捷。 TI的Stellaris系列微控制器如今包含了160多种可以向全 球供货的MCU，包括售价低至1美元的MCU。这个价格一 般只有8bit MCU才能达到。
Avatar Semiconductor Co.
Cortex-M3内核简介一：哈佛架构
Cortex-M3 中央内核基于哈佛架构，指令 和数据各使用一条总线（右图中所示）。与 Cortex-M3不同，ARM7 系列处理器使用冯· 诺 依曼（Von Neumann）架构，指令和数据共用 信号总线以及存储器。由于指令和数据可以从 存储器中同时读取，所以 Cortex-M3 处理器 对多个操作并行执行，加快了应用程序的执行 速度。
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
ARM处理器内核介绍
52v07 ARM普通处理器内核
TM
23
23
2.6 ARM片上总线
AMBA－Advanced Microcontroller Bus Architecture（先进 的微控制器总线体系结构）
AMBA总线定义3种规范
TM
测试芯片 ARM10200E
2
2
IP核、软核、硬核、固核
IP（Intellectual Property）就是常说的知识产权。IP定义为 用于ASIC、ASSP和PLD等当中，并且是预先设计好的电路模块。
IP核模块有行为（Behavior）、结构（Structure）和物理（ Physical）三级不同程度的设计，对应描述功能行为的不同分 为三类，即软核（Soft IP Core）、完成结构描述的固核 （ Firm IP Core）和基于物理描述并经过工艺验证的硬核（ Hard IP Core）。
52v07 ARM普通处理器内核
TM
18
18
ARM9TDMI 数据通道 (2)
结果 DINFWD
MU 逻辑
B 寄存器 Bank Imm BDATA 移位器
A
乘法器
ALU
PSR
ADATA
锁存
锁存
MU逻辑单元包含有：多路复用器,乘法器和桶形移位器
52v07 ARM普通处理器内核
TM
19
19
ARM9TDMI流水线的变化
52v07 ARM普通处理器内核
TM
16
16
ARM9TDMI
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 Cortex-M3概述与TI芯片选型
把握
时序
（使用时如同单片机对外围接口电 路编程一样）
实践（开发板+PDF文档+实验程序） 方法 关注中心问题：学好I/O
（数据必须通过这些引脚传送出去，读回来）
编程中使用API（应用程序编程接口）函数 发展趋势：机器码 —— ASM —— C（API），企业的需要！
ARM技术的实际产品展示一： （消费车控制系统)
——汽车控制系统解析
前车门控 制系统 发动器控 制系统 后车门控 制系统 尾灯控制 系统
马达
座椅控制 系统
控制器 车灯
ARM产品特点
采用RISC架构的ARM微处理器一般具有如下特点：
● 体积小、功耗低、成本低、性能高；
目标：看到一段汇编的代码时，会去查处相关的指
令集，读懂代码的意图/作用即可。
Luminary Micro的Stellaris系列CortexM3 MCU简介
Luminary Micro(流明诺瑞) 公司设计、经销、出售基 于ARM Cortex -M3 的微控制器(MCU)。作为ARM的Cortex-M3 技术的主要合伙人，Luminary Micro 已经向业界推出了首 颗Cortex-M3 处理器的芯片，用8/16 位的成本获得了32 位 的性能。 Luminary Micro 的Stellaris(群星)系列微控制器包含 运行在50MHz 频率下的ARM Cortex-M3 MCU内核、嵌入Flash 和SRAM、一个低压降的稳压器、集成的掉电复位和上电复位 功能、模拟比较器、10 位ADC、SSI、GPIO、看门狗和通用 定时器、UART、I C、运动控制PWM 以及正交编码器输入。 提供的外设直接通向管脚，没有功能复用，这个丰富的功能 集非常适合楼宇和家庭自动化、工厂自动化和控制、工控电 源设备、步进电机、有刷和无刷DC 马达、和AC 感应电动机 等应用。
ARM简介
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？
3
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
4
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。
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。
18
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？
14
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？
15
三、ARM的优势
ARM微处理器的优点 ARM公司的优势
16
1.ARM微处理器的优点
体积小、功耗低、低成本、高性能; 支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集,
31
参考文献
[1]何荣森，何希顺，张跃.从ARM体系看嵌入式处 理器的发展[J].微电子学与计算机，2002(5) :4245.
[2]王红展.基于嵌入式实时操作系统的ARM控制平 台的实现[D]. 成都：电子科技大学，2004.
[3]费浙平. ARM结构体系发展介绍[J]. 嵌入式系统开 发：技术讲座，2005(4)：40-41.
关于ARM的内核架构介绍
张凌001关于ARM的内核架构很多时候我们都会对M0，M0+,M3,M4，M7，arm7，arm9，CORTEX-A系列，或者说AVR,51，PIC等，一头雾水，只知道是架构，不知道具体是什么，有哪些不同？今天查了些资料，来解解惑，不是很详细，但对此有个大体了解。
咱先来当下最火的ARM吧1.ARMARM即以英国ARM（Advanced RISC Machines）公司的内核芯片作为CPU，同时附加其他外围功能的嵌入式开发板，用以评估内核芯片的功能和研发各科技类企业的产品.ARM 微处理器目前包括下面几个系列，以及其它厂商基于 ARM 体系结构的处理器，除了具有ARM 体系结构的共同特点以外，每一个系列的 ARM 微处理器都有各自的特点和应用领域。
－ ARM7 系列－ ARM9 系列－ ARM9E 系列－ ARM10E 系列－ ARM11系列－ Cortex 系列－ SecurCore 系列－ OptimoDE Data Engines－ Intel的Xscale－ Intel的StrongARM ARM11系列2. Cortex 系列32位RISCCPU开发领域中不断取得突破，其设计的微处理器结构已经从v3发展到现在的v7。
Cortex 系列处理器是基于ARMv7架构的，分为Cortex-M、Cortex-R和Cortex-A三类。
由于应用领域的不同，基于v7架构的Cortex处理器系列所采用的技术也不相同。
基于v7A的称为“Cortex-A系列。
高性能的Cortex-A15、可伸缩的Cortex-A9、经过市场验证的Cortex-A8处理器以及高效的Cortex-A7和Cortex-A5处理器均共享同一体系结构，因此具有完整的应用兼容性，支持传统的ARM、Thumb指令集和新增的高性能紧凑型Thumb-2指令集。
1Cortex-M系列Cortex-M系列又可分为Cortex-M0、Cortex-M0+、Cortex-M3、Cortex-M4；2Cortex-R系列Cortex-R系列分为Cortex-R4、Cortex-R5、Cortex-R7；3Cortex-A 系列Cortex-A系列分为Cortex-A5、Cortex-A7、Cortex-A8、Cortex-A9、Cortex-A15、Cortex-A50等 ，同样也就有了对应内核的Cortex-M0开发板、Cortex-A5开发板、Cortex-A8开发板、Cortex-A9开发板、Cortex-R4开发板等等。
ARM移动处理器的架构解析
虽然Ａ １ ５ 的两级Ｂ ＴＢ 条 目总 数 较 Ａ８ ／ 过 因为 三路 超标 量 而 带来 的 各种 资 源增 加 ，
少， 但是 Ａ １ ５ 的Ｒｅ ｔ ｕｒ ｎ Ｓ ｔ ａ ｃ ｋ条 目数 从 ８ Ａ１ 按 照Ｉ Ｓ Ａ（ 指令集架构） 划分 ， 因为 目前 Ａ９ ５ 需 要 更先 进 的制 程（ ３ ２ 纳 米 或更 先 进 ） 才
运行 。
（ ７ ） Ａ１ ５ ＊ Ｍ Ａ ９ ｛ ｇ有 一 个 类似 的ｓ ｍａ ｌ ｌ ｌ ｏ ｏ ｐ
缓存 ， 用于 存 放 小 循 环 ， 让执 行 单 元 无 需 访 问指 令ｃ ａ ｃ ｈ ｅ 就能 抓 到 指令 。 在Ａ９ Ｊ 它ｎ 以 存 放 大小 为６ ４ 字节的指令。 而在 Ａ１ ５ 则是３ ２ 条 目， 可以 存放 两 条
２ 高通Ｋ ｒ ａ ｉ ｔ 内核微架构 特点
Ｋｒ ａ ｉ ｔ 微架 构是 高通 第 四代Ｓ ｎ ａ ｐ ｄ ｒ ａ ｇ ｏ ｎ
Ｆ Ｍ Ａ￣ ＇ 令执行 ， 可 以在 同 频 下 提 供 两 倍 的 （ 骁 龙） 处理 器 所搭 配 的 Ｃ Ｐ Ｕ内核 微 架构 ， 是 峰值浮点性能。 此外 ， Ａ１ ５ 还 具 备 硬 件 除 法 ＡＲ Ｍｖ ７ 架构 的 实现 ， 属于 高 通 的ＡＲ Ｍ架 构
１ Ａ Ｒ Ｍ Ｃ ｏ ｒ ｔ ｅ ｘ －Ａ １ ５ 内核微架构 特点
和 Ｃｏ ｒ ｔ ｅ ｘ Ａ９ 相比， Ｃｏ ｒ ｔ ｅ ｘ—Ａ１ ５ 有 非 常明显的变化 ： （ １ ） 整数流水线最短 工位数达到 １ ５ 级，
指令， 在Ａ９ 上这 需要 接 近 ５ ０ 个 周期 来执 行 。 级授权 、 自行 研 发 的 处 理 器 内 核 微 架 构 。
ＣＨＮＯＬＯＯＹ １ ＮＦＯＲＭ ＡＴＩ ＯＮ
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 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
微处理器硬件架构
ARM
微处理器硬件架构
冯诺依曼结构则是程序空间和数据空间不独立的结构 哈佛结
构是指程序和数据空间独立的体系结构 , 减轻
程序运行时的 访存瓶颈。
典型 PC 机 --冯诺依曼架构
冯· 诺依曼体系的特点
1
）数据与指令都存储在存储器中
2
）被大多数计算机所采用
3） ARM7
——冯诺依曼体系 哈佛体系架构
哈佛体系结构的特点
1)
程序存储器与数据存储器分开
目的是为了
2)
提供了较大的数存储器带宽
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
CISC ：复杂指令集( Complex Instruction Set
Computer
) 具有大量的指令和寻址方式
8/2 原则： 80% 的程序只使用 20%
的指令 大多数程序只使
用少量的指令就能够运行
RISC ：精简指令集( Reduced Instruction Set
Computer)
在通道中只包含最有用的指令 确保数据通道快
速执行每一条指令 使 CPU 硬件结构设计变得更为简单 流水
线技术： 几个指令可以并行执行 提高了 CPU 的运行效率
内部信息流要求通畅流动 为增加处理器指令流的速度，
ARM7 系列使用 3 级流水线 .
允许多个操作同时处理，而
非顺序执行。
注， PC 指向正被取指的指令，而非正在执行的指令
ARM
处理器内核流水线超标量执行
超标量 CPU 采用多条流水线结构。
超标量体系结构描述一种微处理器设计，它能够在一个时钟
周期执行多个指令。在超标量体系结构设计中，处理器或指
令编译器能够判断指令能独立于其它顺序指令而执行，还是
依赖于另一指令，必须跟其按顺序执行。处理器然后使用多
个执行单元同时执行两个或更多独立指令。超标量体系结构
设计有时称 “ 第二代 RISC” 。 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。
总线和总线桥存储器系统
RAM
：随机存取存储器
SRAM
：静态随机存储器
DRAM
：动态随机存储器
1) SRAM 比 DRAM
快
2) SRAM 比 DRAM
耗电多
3) DRAM 存储密度比 SRAM
高得多
4) DRAM
需要周期性刷新
ROM
：只读存储器
FLASH
：闪存