[2]ARM架构
第二章 ARM9体系结构ppt课件
ARM9E-S ARM10TDMI，ARM1020E ARM11，ARM1156T2-S，ARM1156T2F-S， ARM1176JZ-S，ARM11JZF-S
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2.1.1 ARM公司简介
ARM公司是知识产权IP （ Intellectual Property ） 公司，本身不生产芯片，只转让设计许可，由合 作伙伴公司来生产各具特色的芯片。
目前，全世界有几十家著名的半导体公司都使用 ARM公司的授权，其中包括Intel、IBM、 MOTOROLA、SONY、NEC、LG 、 ATMEL 等， 从而保证了大量的开发工具和丰富的第三方资源， 它们共同保证了基于ARM处理器核的设计可以很 快投入市场。
灵活方便的协处理器接口
ARM体系结构具有协处理器接口，允许接16 个协处理器。既可以使基本的ARM处理器内核尽 可能小，方便地扩充ARM指令集，也可以通过未 定义指令来支持协处理器的软件仿真。
低电压功耗的设计
考虑到ARM处理器主要用于手持式嵌入式系 统中，在设计中. 就十分注意功耗的设计。
2.1.3 ARM指令系统版本
难以优化编译成高效目标 代码
能优化编译成高效目标代码
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2.1.2 ARM体系结构的特点
多种处理器模式 ARM体系结构定义了7种处理器模式：用户、 快 中断、中断、管理、终止、未定义和系统模式， 大大提高了ARM处理器的效率。
两种处理器工作状态 ARM状态(32位指令)和Thumb状态(16位指
令) 。 虽然ARM处理器本身是32位设计，但考虑到
ARM处理器内核介绍
52v07 ARM普通处理器内核
TM
23
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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
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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
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ARM9TDMI流水线的变化
52v07 ARM普通处理器内核
TM
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ARM9TDMI
ARM选型
ARM选型概述ARM（Advanced RISC Machines）是一种基于精简指令集（RISC）架构的处理器架构。
ARM处理器在嵌入式系统和移动设备上广泛应用，具有低功耗、高性能和低成本等特点。
在进行ARM选型时，需要考虑多方面的因素，如处理器性能、功耗、成本、配套开发工具和生态系统等。
处理器性能ARM处理器的性能取决于其指令集、核心数量和频率等因素。
不同的应用场景对处理器性能的需求也不同。
一般而言，高性能处理器适用于需要运行复杂应用程序或进行大规模计算的场景，而低功耗处理器适用于对能耗有严格要求的场景。
在选择ARM处理器时，可以参考其处理器核心的类型和性能评测数据。
ARM处理器核心常见的设计包括Cortex-A系列、Cortex-R系列和Cortex-M系列。
Cortex-A系列适用于高性能应用场景，如智能手机和平板电脑；Cortex-R系列适用于实时处理和嵌入式系统；Cortex-M系列适用于低功耗、实时嵌入式应用。
功耗在移动设备和嵌入式系统中，功耗是一个非常重要的考虑因素。
ARM处理器因其低功耗的特点而得到广泛应用。
在进行ARM选型时，可以参考处理器的功耗指标和性能功耗比等数据。
处理器的功耗主要来自于两个方面：静态功耗和动态功耗。
静态功耗是处理器在空闲状态下的功耗，而动态功耗则是处理器在运行过程中的功耗。
一般而言，静态功耗越低，动态功耗越低，功耗效率越高。
成本对于大多数项目而言，成本是一个重要的考虑因素。
ARM处理器因其低成本的特点而受到广泛青睐。
在进行ARM选型时，可以考虑处理器的价格和性价比。
一些处理器还提供多种封装选项，可以根据需求选择不同成本的产品。
此外，还需要考虑配套的开发工具和软件许可费用等成本因素。
一些处理器提供免费的开发工具和软件库，可以降低项目的开发成本。
配套开发工具在进行ARM选型时，还需要考虑配套的开发工具。
ARM处理器有丰富的开发工具链，包括编译器、调试器、仿真器等。
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？
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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
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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。
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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？
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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？
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三、ARM的优势
ARM微处理器的优点 ARM公司的优势
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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,
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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.
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体系结构与编程PPT课件
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。
2021/4/13
基于ARM Architecture的版本命名
3）增强型DSP指令（E变种） E变种的ARM体系增加了一些增强处理器对典型的DSP算法 处理能力的附加指令。
4）Java加速器Jazelle（J变种） ARM的Jazelle技术是Java语言和先进的32位RISC芯片完美结
合的产物 。 5）ARM媒体功能扩展（SIMD变种）
2021/4/13
和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小 ，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的 主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称微控制 器。
嵌入式微控制器
嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较有代表性的通用 系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、 C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。另外还有许多半通 用系列如：支持USB接口的MCU 8XC930/931、C540、C541； 支持I2C、CAN-Bus、LCD及众多专用MCU和兼容系列。目前
推动嵌入式DSP处理器发展的另一个因素是嵌入式系统的智能化，例如各 种带有智能逻辑的消费类产品，生物信息识别终端，带有加解密算法的键盘， ADSL 接入、实时语音压解系统，虚拟现实显示等。这类智能化算法一般都是 运算量较大，特别是向量运算、指针线性寻址等较多，而这些正是DSP 处理 器的长处所在。
第二章 ARM技术概述2
ARM发展的历程 ARM发展的历程
目前ARM全球年出货量为40亿，只要是 数码产品，无论是手机、数码相机，还 是游戏机、导航系统，很有可能其中的 1/4都含有ARM的处理器。 第一个100亿片出货量，ARM用了17年时 间来完成，接下来的100亿片，ARM打算 用3年的时间实现。
ARM体系结构的基本版本 ARM体系结构的基本版本
ARM发展的历程 ARM发展的历程
在ARM的发展历程中，从ARM7 ARM7开始，ARM核 ARM7 被普遍认可和广泛使用 ARM9取代ARM8，性能是ARM7的两倍 1998年 StrongARM 问世 XScale是下一代StrongARM芯片的发展基 础 ARM10TDMI是ARM处理器核中的高端产品 ARM11是ARM家族中性能较强的一个系列 CORTEX
ARM处理器工作状态 ARM处理器工作状态
体系结构中具有T变种的ARM处理器核可 工作在两种状态： ARM状态 32位，ARM状态下执行字对准的32位ARM 指令； Thumb状态 16位，Thumb状态下执行半字对准的16位 Thumb指令。
ARM处理器工作状态 ARM处理器工作状态
在程序执行的过程中， 在程序执行的过程中，处理器可以在两 种状态下切换： 种状态下切换： ARM和Thumb之间状态的切换不影响处理 器的模式或寄存器的内容。 ARM指令集和Thumb指令集都有相应的状 态切换命令。 ARM处理器在开始执行代码时，只能处于 ARM状态。
90年代至今
ARM发展的历程 ARM发展的历程
第一片ARM处理器是1983年10月到1985年 4月间在位于英国剑桥的Acorn Computer Acorn 公司开发 1990年，为广泛推广ARM技术而成立了独 立的公司(Advanced RISC Machine,ARM Advanced 公司) 公司 20世纪90年代， ARM快速进入世界市场, 处在半导体产业链上游的上游，采用 Chipless和Fabless Fabless的生产模式 Chipless Fabless
ARM的体系结构与编程
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。
ARM微处理器系列
ARM9微处理器系列
ARM9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 相机和数字摄像机等。
ARM9系列微处理器包含ARM920T、ARM922T和 ARM940T三种类型，以适用于不同的应用场合。
ARM微处理器系列
StrongARM微处理器系列 （StrongARM SA-110 微处理器）
早期Intel StrongARM SA-1100处理器是采用ARM体系结 构高度集成的32位RISC微处理器。它融合了Intel公司的 设计和处理技术以及ARM体系结构的电源效率，采用在软 件上兼容ARMv4体系结构、同时采用具有Intel技术优点 的体系结构。
全性能的MMU，支持众多嵌入式操作系统。
支持数据Cache和指令Cache，具有更高的处理能力。
主频最高可达300M。
ARM微处理器系列
ARM9E微处理器系列
ARM9E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 设备和网络设备等领域。
ARM9E系列微处理器包含ARM926EJ-S、 ARM946E-S和ARM966E-S三种类型，以适用于不 同的应用场合。
ARM技术的应用领域及特点
ARM微处理器的特点—大量使用寄存器
ARM 处理器共有37个寄存器，被分为若干个组，这些 寄存器包括：
31个通用寄存器，包括程序计数器（PC 指针）， 均为32位的寄存器；
6个状态寄存器，用以标识CPU的工作状态及程 序的运行状态，均为32位。
ARM技术的应用领域及特点
第三节ARM体系结构
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
简述微型计算机的分类
简述微型计算机的分类微型计算机是指体积较小，功能较为简单的计算机，它们通常被广泛应用于个人和小型企业的办公和生产中。
微型计算机的分类可以从不同的角度进行划分，本文将从使用领域、处理器类型、操作系统、应用软件等多个方面来简述微型计算机的分类。
一、按使用领域划分1.个人电脑（PC）个人电脑是指为个人使用而设计的微型计算机，它们通常被用于办公、娱乐、学习等方面。
个人电脑可以进一步分为台式机和笔记本电脑两种类型。
台式机通常采用塔式机箱，拥有更大的机箱空间和更强的处理能力，而笔记本电脑则具有轻便、便携的特点，适合于出差、旅游等场合使用。
2.工作站工作站是一种高性能的微型计算机，它们通常被用于专业领域的科学计算、图形处理、动画制作等方面。
工作站通常采用多核处理器和高性能显卡，可以同时处理多个任务和大量数据。
3.服务器服务器是一种专门用于提供网络服务的微型计算机，它们通常被用于企业、机构等组织中，用于提供网站、电子邮件、数据库等服务。
服务器通常采用高性能的处理器和大容量的存储设备，以保证服务的稳定性和可靠性。
二、按处理器类型划分1.英特尔架构微型计算机英特尔架构微型计算机是指采用英特尔公司的x86系列处理器的微型计算机，它们通常被用于个人电脑、工作站、服务器等领域。
英特尔架构微型计算机以其高性能、稳定性和广泛的软硬件支持而被广泛使用。
2.ARM架构微型计算机ARM架构微型计算机是指采用ARM处理器的微型计算机，它们通常被用于移动设备、物联网等领域。
ARM架构微型计算机以其低功耗、高性能和广泛的应用领域而备受关注。
三、按操作系统划分1.Windows微型计算机Windows微型计算机是指采用微软公司的Windows操作系统的微型计算机，它们通常被用于个人电脑、工作站、服务器等领域。
Windows 微型计算机以其广泛的软硬件支持和易用性而受到广泛使用。
2.Linux微型计算机Linux微型计算机是指采用Linux操作系统的微型计算机，它们通常被用于服务器、嵌入式系统等领域。