嵌入式系统设计大学教程 教学课件 作者 刘艺 许大琴 万福 ch3 基于ARM的处理器体系结构.pptVIP

嵌入式系统设计大学教程 第三章 基于ARM的处理器体系结构 主要内容 3.1 ARM体系结构 3.1.1 ARM微处理器结构 3.1.2 ARM工作状态 3.1.3 ARM微处理器的寄存器组织 3.1.4 ARM微处理器的指令结构 3.2 ARM9处理器简介 3.2.1 与ARM7处理器的比较 3.2.2 OMAP5912处理器简介 ARM简介 ARM即Advanced RISC Machines的缩写。 1985年4月26日，第一个ARM原型在英国剑桥的Acorn计算机有限公司诞生，由美国加州San Jose VLSI技术公司制造。 20世纪80年代后期，ARM很快开发成Acorn的台式机产品，形成英国的计算机教育基础。 1990年成立了Advanced RISC Machines Limited。 ARM简介 20世纪90年代，ARM32位嵌人式RISC（Reduced Instruction Set Computer）处理器扩展到世界范围，占据了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系统应用领域的领先地位。 32位RISC处理器受到青睐，领先的是ARM嵌入式微处理器系列。 ARM公司虽然只成立10多年，但在1999年因移动电话火爆市场，其32位RISC处理器占市场份额超过了50%，2001年初，ARM公司的32位RISC处理器市场占有率超过了75%。 ARM简介 ARM公司是知识产权供应商，是设计公司。由合作伙伴公司来生产各具特色的芯片。 ARM公司商业模式的强大之处在于其价格合理，全世界范围有超过100个合作伙伴--包括半导体工业的著名公司。ARM公司专注于设计，其内核耗电少、成本低、功能强，特有16/32位双指令集。ARM已成为移动通信、手持计算、多媒体数字消费等嵌入式解决方案的RISC标准。 3.1 ARM体系结构 3.1.1 ARM微处理器结构 1. RISC设计思想 传统的复杂指令集计算机（Complex Instruction Set Computer，CISC）结构有其固有的缺点，即随着计算机技术的发展而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。 3.1.1 ARM微处理器结构 1. RISC设计思想 1979年美国加州大学伯克利分校提出了RISC的概念。 RISC并非只是简单地去减少指令。RISC是一种设计思想，其目标是设计出一套能在高时钟频率下单周期执行、简单而有效的指令集。 RISC的设计重点在于降低由硬件执行的指令的复杂度，因为软件比硬件容易提供更大的灵活性和更高的智能。因此，RICS设计对编译器有更高的要求。 3.1.1 ARM微处理器结构 RISC和CISC之间的主要区别 RISC的4个设计准则 （1）指令集 RISC处理器减少了指令种类。RISC的指令种类只提供简单的操作，使一个周期就可以执行一条指令。编译器或者程序员通过几条简单指令的组合来实现一个复杂的操作（如除法操作）。 RISC采用定长指令集，每条指令的长度都是固定的，允许流水线在当前指令译码阶段去取其下一条指令；而在CISC处理器中，指令长度通常不固定，执行也需要多个周期。 RISC的4个设计准则 （2）流水线 指令的处理过程被拆分成几个更小的、能够被流水线并行执行的单元。在理想情况下，流水线每周期前进一步，可获得最高的吞吐率；而CISC指令的执行需要调用微代码的一个微程序。 RISC的4个设计准则 （3）寄存器 RISC处理器拥有更多的通用寄存器。每个寄存器都可存放数据或地址。寄存器可为所有的数据操作提供快速的局部存储访问；而CISC处理器都是用于特定目的的专用寄存器。 RISC的4个设计准则 （4）Load/Store结构 处理器只处理寄存器中的数据。独立的load和store指令用来完成数据在寄存器和外部存储器之间的传送。因为访问存储器很耗时，所以把存储器访问和数据处理分开。这样有一个好处，就是可反复地使用保存在寄存器中的数据，而避免多次访问存储器，从而达到提高程序执行性能的目的。 3.1.1 ARM微处理器结构 2. ARM设计思想 为了使ARM指令集能够更好地满足嵌入式应用的需要，ARM指令集和单纯的RISC定义有以下几个方面的不同： 一些特定的指令周期数可变 内嵌桶形移位器产生了更为复杂的指令 Thumb 16位指令集 条件执行 3.1.1 ARM微处理器结构 3. ARM微处理器系列分类及ARM体系的变种 当前应用较为广泛的ARM微处理器核有ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E产品系列，每个系列都提供了一套特定的性能来满足设计者对功耗、性能和体积的需求。 在ARM体系中增加的某些特定功能称为ARM体系的某种变种（variant）。 ARM体系的变种 （1