嵌入式系统课件ARM微控制器基础与实战3.ppt

第2章 ARM体系结构 2．1 ARM体系结构概述 2．1．1 ARM体系结构的特点 0、概述： ARM公司 ARM即Advanced RISC Machines的缩写。 ARM公司是知识产权(IP)供应商，成立于1990。 ARM公司本身不生产芯片，靠转让设计许可，由合作伙伴公司来生产各具特色的芯片。 ARM作为32位嵌入式RISC微处理器业界的领先供应商，商业模式的强大之处在于它在世界范围有超过100个合作伙伴——包括半导体工业的著名公司，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。 ARM处理器的3大特点是： 耗电少，成本低，功能强； 16／32位双指令集； 全球众多合作伙伴保证供应。 ARM体系结构基于精简指令集计算机(RISC)原理。 ARM还提供了两个前沿特性——嵌入式ICE—RT逻辑和嵌入式跟踪宏核系列，用于辅助嵌入式处理器核的、高集成的SoC器件的调试。允许在代码的任何部分——甚至在ROM中设置断点。 ARM当前有5个产品系列：ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10和SecurCore。 进一步的产品来自于合作伙伴，例如Intel XScale微体系结构和StrongARM产品。 1．ARM的RISC型处理器结构 中央控制器没有采用微程序的方式。采用了硬接线PLA的方式。 减少复杂功能的指令，选用使用频度最高的指令； 简化处理器的结构，减少处理器的集成度； 采用32位定长指令。除了单机器周期执行1条指令外，每条指令具有多种操作功能，提高了指令使用效率。 采用流水线结构，使每一条指令平均在一个机器周期内完成，以提高处理器的速度。 采用多寄存器的结构，使指令的操作尽可能在寄存器之间进行。 采用Load／Store结构，即只有Load／Store(加载／存储)指令可与存储器打交道，减少访问存储器的频度，节约指令执行时间。 为了进一步提高指令和数据的存／取速度，有的还增加指令快存I—Cache和数据快存D—Cache； 2．Thumb指令集 新型ARM体系结构在32位指令集的基础上又定义了16位的Thumb指令集，可以使程序存储器更小。Thumb指令集比通常的8位和16位CISC／RISC处理器具有更好的代码密度，而芯片面积只增加6％。 3．多处理器状态模式 ARM可以支持7种处理器模式： 用户模式 快中断模式 中断模式 管理模式 中止模式 系统模式 未定义模式 除了用户模式外，其余的均为特权模式。这是ARM的特色之一。多处理器模式可以大大提高ARM处理器的效率，并方便操作系统的设计。 4．嵌入式在线仿真调试 ARM体系结构的处理器芯片都嵌入了在线仿真ICE—RT逻辑 由于ICE—RT逻辑的支持，便于通过JTAG来仿真调试ARM体系结构芯片，从而可以省去价格昂贵的在线仿真器。 在处理器核中还集成了嵌入式跟踪宏单元（ETM）， ETM可以用于监控内部总线，实时跟踪指令和数据的执行。 5．灵活和方便的接口 ARM体系结构具有协处理器接口，这样，既可以使基本的ARM处理器内核尽可能小，又可以方便地扩充各种功能。ARM允许接16个协处理器。 ARM处理器核具有片上总线AMBA(Advanced Micro controller Bus Architecture)。 AMBA定义了3组总线： 先进高性能总线AHB(Advanced High performance Bus)； 先进系统总线ASB(Advanced System Bus)； 先进外围总线APB(Advanced Peripheral Bus)。 通过AMBA可以方便地扩充各种处理器及I／O，这样，可以把DSP、其他处理器和I／O接口(如UART、定时器和接口等)都集成在一块芯片中。 6、低电压低功耗的设计 由于ARM体系结构的处理器主要用于手持式嵌入式系统之中，ARM体系结构在设计中十分注意低功耗问题。 CMOS电路的功耗关系： Pc = (1/2)·f·VDD2·∑Ag·CLg 式中，f为时钟频率；VDD为工作电源电压；Ag是逻辑门在1个时钟周期内翻转的次数(通常为2)；CLg为门的负载电容。因此，ARM体系结构的设计采用了以下措施： 降低电源电压，可工作在3．0V以下。 减少门的翻转次数，当某个功能电路不需要时，禁止门翻转。 减少门的数目，即降低芯片的集成度。 降低时钟频率(但也会损失系统的性能)。 2．1．2 ARM处理器结构 1．ARM体系结构 是ARM体系结构： 32位ALU； 31个32位通用寄存器 6个状态寄存器 32×8位乘法器 32×32位桶形移位寄存器 指令译码及控制逻辑 指令流水线 数据／地址寄存器。 如图4—1所示 2．ARM的流水线结构 计算机中的