第2章ARM及其编程模型.pptVIP

嵌入式系统基础 李建义 回顾 嵌入式系统定义 嵌入式系统的软硬件组成 常见的嵌入式处理器 常见的嵌入式操作系统 嵌入式系统的设计与开发过程 第2章 ARM9体系结构 第2章 ARM9体系结构 RISC体系结构和CISC体系结构 ARM处理器概述 ARM9处理器 ARM9的存储组织结构 ARM9的异常 ARM9的寻址方式 2.0 RISC体系结构和CISC体系结构 处理器设计方向：RISC和CISC CISC：复杂指令集计算机（Complex Instruction Set Computer） 具有大量的指令，指令长度不固定 8/2原则：20%的指令占用80%的执行时间 大多数程序只使用少量的指令就能够运行 更多的专用寄存器 2.0.1 CISC存在的问题 CISC结构和思路存在的问题： (1) 指令系统庞大。 (2)指令执行速度低。 (3)编译程序本身太长、太复杂。 (4)各种指令使用频度都不会太高，且差别很大。 2.0.2 RISC设计思想 针对CISC结构存在的这些问题，Patterson等人提出了精简指令系统（RISC-Reduced instruction Set Computer）计算机的设想。通过精减指令来使计算机结构变得简单、合理、有效，并克服CISC结构的上述缺点。 RISC 是一种设计思想，并不是一种产品，它是近代计算机体系结构发展的一个里程碑。 CMU发表的学术论文提出了设计RISC机器应当遵循的一般原则，包括： 2.0.2 RISC设计思想 (1) 确定指令系统时，只选择使用频度很高的那些指令，在此基础上增加少量能有效支持操作系统和高级语言实现及其他功能的最有用的指令，让指令的条数大大减少，一般不超过 100 条。 (2) 大大减少指令系统可采用的寻址方式的种类，一般不超过两种。简化指令的格式，使之也限制在两种之内，并让全部指令都具有相同的长度。 2.0.2 RISC设计思想 (3) 让所有指令都在一个机器周期内完成。 (4) 扩大通用寄存器的个数，一般不少于 32 个寄存器， 以尽可能减少访存操作，所有指令中只有存(STORE)、取(LOAD)指令才可访存，其他指令的操作一律都在寄存器间进行。 (5) 为提高指令执行速度，大多数指令都采用硬件控制实现， 少数指令采用微程序实现。 2.0.2 RISC设计思想 (6) 通过精简指令和优化设计编译程序，以简单有效的方式来支持高级语言的实现。 一句话： 减少指令平均周期是RISC设计思想的精华 2.0.3 RISC实现 RISC特点： 在通道中只包含最有用的指令，指令长度固定 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 Load-store结构，只处理寄存器的数据，更多的通用寄存器 RISC第一个最成功的商业化实例就是ARM 1980年以来，所有新的处理器都或多或少的采用了RISC的概念 2.1 ARM处理器概述 ARM公司成立于1990年11月 前身为 Acorn计算机公司 Advance RISC Machine(ARM) 主要设计ARM系列RISC处理器内核 授权ARM内核给生产和销售半导体的合作伙伴 ARM 公司不生产芯片 IP(Intelligence Property) 2.1 ARM处理器概述 另外也提供基于ARM架构的开发设计技术 软件工具, 评估板, 调试工具,应用软件 总线架构, 外围设备单元，等等 Arm公司合作伙伴 2.1.1 ARM微处理器的特点 32位RISC微处理器 体积小、低功耗、低成本、高性能 支持Thumb/ARM指令集，能很好的兼容8位/16位器件 大量使用寄存器，指令执行速度更快 大多数数据操作都在寄存器中完成 寻址方式简单灵活，执行效率高 指令长度固定 2.1.2 ARM体系结构的版本 ARM架构自诞生至今,已经发生了很大的演变,至今已定义6种不同的版本 V1版架构 V2版架构 V3版架构 V4版架构 V5版架构 V6版架构 1. V1版架构 该版架构只在原型机ARM1出现过,其基本性能： 基本的数据处理指令(无乘法) 字节、半字和字的LOAD/STORE指令 转移指令,包括子程序调用及链接指令 软件中断指令 寻址空间：64M字节 2. V2版架构 该版架构对V1版进行了扩展,如ARM2与ARM3(V2a版)架构,增加了以下功能： 乘法和乘加指令 支持协处理器操作指令 快速中断模式 SWP/SWPB的最基本存储器与寄存器交换指令 寻址空间：64M字节(226) 3. V3版架构 把寻址空间增至32位(4G字节) 增加了当前程序状态寄存器CPSR(Current Program Status Register)和程序状态保存寄存器