嵌入式技术实用教程 教学课件 作者 姜帆 第2章 ARM体系结构.pptVIP

第2章 ARM体系结构 学习目标： 1. 了解嵌入式处理器内核的含义，以及典型的嵌入式处理器内核。 2. 了解典型的ARM系列处理器及其特点。 3. 理解ARM9微处理器的结构特点，工作模式以及流水线技术。 4. 熟悉ARM9的存储方式，I/O访问方式以及内部寄存器。 5. 理解ARM9的异常以及异常的处理。 嵌入式处理器内核 按照体系结构分类，嵌入式处理器内核不涉及具体的处理器芯片。嵌入式领域体系结构全部是RISC指令集的处理器内核，尽管都毫不例外地采用RISC结构，但各有各的优势和应用领域。 嵌入式处理器内核是一个设计技术，并不是一个芯片，内核的设计一般追求高速度、低功耗、易于集成。 嵌入式处理器内核 1．MIPS核 MIPS技术公司是一家设计制造高性能、高档次及嵌入式32位和64位处理器的厂商，在RISC处理器方面占有重要地位。 2．ARM核 ARM内核具有低功耗的特点，ARM内核的设计技术被授权给数百家的半导体厂商，做成不同的SoC芯片。 3．PowerPC核 PowerPC核在高速与低功耗之间做了妥协，并集成了极其丰富的外围电路接口。 4．68K/COLDFIRE核 68K/COLDFIRE核被称为业界应用最广的嵌入式处理器内核，目前还在不停地更新换代与发展。 ARM系列处理器 ARM7系列 ARM9系列 ARM9E系列 ARM10E系列 SecurCore系列 StrongARM系列 Xscale系列 ARM9微处理器的结构特点 （1）ARM9：采用ARMV4T（Harvard）结构、五级流水线处理以及分离的cache结构； （2）T：支持16位宽度的压缩指令集Thumb； （3）D：支持在片调试（Debug），允许处理器响应调试 暂停； （4）M：具有增强型乘法器，可以成全64位的结果； （5）I：嵌入式ICE部件，可以提供片上断点和调试的支持。 ARM9的工作模式 ARM9 的流水线技术 上图列出了5级流水线指令的执行过程。 （1）取指令（fetch）：从存储器中取出指令，并将其放入指令流水线。 （2）译码（decode）：指令被译码，从寄存器堆中读取寄存器操作数。在寄存器堆中有3个操作数读端口，因此，大多数ARM指令能在1个周期内读取其操作数。 （3）执行（execute）：将其中1个操作数移位，并在ALU中产生结果。如果指令是Load或Store指令，则在ALU中计算存储器的地址。 （4）缓冲/数据（buffer/data）：如果需要则访问数据存储器，否则ALU只是简单地缓冲1个时钟周期。 （5）回写（write-back）：将指令的结果回写到寄存器堆，包括任何从寄存器读出的数据。 ARM9的存储组织结构 在ARM9中，每个地址是对应于一个存储字节而不是一个存储字，但ARM9可以访问存储字，访问存储字时，其地址应该是字对准的，即字地址可以被4整除。 ARM体系结构存储字数据的方式有两种，分别为大端格式和小端格式，具体说明如下。 ARM9的存储组织结构 1．大端格式 在大端格式中，字数据的高字节存储在低地址中，而字数据的低字节则存放在高地址中。 2．小端格式 与大端存储格式相反，在小端存储格式中，低地址中存放的是字数据的低字节，高地址存放的是字数据的高字节。 I/O 端口的访问方式 从具体细节上讲，对于I/O端口的访问，ARM9体系结构是使用存储器映射的方法来实现的。存储器映射法为每个I/O端口分配特定的存储器地址，当从这些地址读出或向这些地址写入时，实际完成的是I/O功能。即对存储器映射的I/O地址上进行读取操作时即是输入，而向存储器映射的I/O地址上进行写入操作时即时输出。 内部寄存器 状态寄存器 当前程序状态寄存器（Current Program Status Register，CPSR）可以在任何处理器模式下被访问，它包含下列内容： （1）ALU（Arithmetic Logic Unit，算术逻辑单元）状态标志的备份； （2）当前的处理器模式； （3）中断使能标志； （4）设置处理器的状态（只在4T架构）。 每一种处理器模式下都有一个专用的物理寄存器作备份程序状态寄存器（Saved Program Status Register，SPSR）。当特定的异常中断发生时，这个物理寄存器负责存放当前程序状态寄存器的内容。当异常处理程序返回时，再将其内容恢复到当前程序状态寄存器。 程序计数器 程序计数器R15又被记为PC。它有时可以和R0～R14一样用做通用寄存器，但很多特殊的指令在使用R15时有些限制。当违反了这些指令的使用限制时，指令的执行结果是不可预知的。 程序计数器在下面两种情况下