1、基于基于ARMARM的处理器体系结构的处理器体系结构课程大纲课程大纲 嵌入式处理器及其体系结构嵌入式处理器及其体系结构 ARMARM处理器处理器 XScaleXScale体系结构体系结构 PXA PXA系列处理器系列处理器冯冯.诺依曼和哈佛体系结构诺依曼和哈佛体系结构冯冯诺依曼型计算机诺依曼型计算机冯冯诺依曼型计算机组成结构诺依曼型计算机组成结构 处理器使用同一个存储使用同一个存储器器，经由同一个总线传输。完成一条指令需要3个步骤，即：取指令、指令译码和执行指令 指令和数据共享同一总线的结构 哈佛体系结构哈佛体系结构 哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构。中央处理器首先到程序
2、指令存储器中读取程序指令内容，解码后得到数据地址，再到相应的数据存储器中读取数据，并进行下一步的操作（通常是执行）。程序指令存储和数据存储分开，可以使指令和数据有不同的数据宽度，如Microchip公司的PIC16芯片的程序指令是14位宽度，而数据是8位宽度。CISC与RISCCISC(Complex Instruction Set Computer)复杂指令集计算机复杂指令集计算机 处理器在分析每一条指令之后执行一系列初级指令运算来完成所需的功能 一般CISC计算机所含的指令数目至少300条以上，有的甚至超过500条 采用CISC结构的计算机数据线和指令线是分时复用的，即所谓的冯.诺依曼结构
3、 RISC(Riduced Instruction Set Computer)精简指令集计算机精简指令集计算机 采用RISC结构的单片机数据线和指令线分离，即所谓的哈佛结构 计算机指令多为单字节，程序存储器的空间利用率大大提高，有利于实现超小型化 课程大纲课程大纲 嵌入式处理器及其体系结构嵌入式处理器及其体系结构 ARMARM处理器处理器 XScaleXScale体系结构体系结构 PXA PXA系列处理器系列处理器基于基于ARMARM架构的嵌入式微处理器架构的嵌入式微处理器 在多媒体技术、网络互连和开放操作系统等方面在多媒体技术、网络互连和开放操作系统等方面的应用，是的应用，是8 8位机体系结
4、构所难以逾越的障碍，也就位机体系结构所难以逾越的障碍，也就正好成为选择正好成为选择3232位嵌入式系统的主要理由。位嵌入式系统的主要理由。所有的所有的ARMARM芯片在内核上保持高度的兼容性，这芯片在内核上保持高度的兼容性，这样在学习和开发嵌入式系统中就可以使用通用的开样在学习和开发嵌入式系统中就可以使用通用的开发、调试工具。发、调试工具。目前目前ARM CPUARM CPU内核里面都有一个内核里面都有一个Embedded ICEEmbedded ICE逻逻辑模块，用于采集辑模块，用于采集CPUCPU总线信号，而对总线信号，而对Embedded ICEEmbedded ICE以及以及CPUCP
5、U执行单元的通信是通过扫描线来进行的，所执行单元的通信是通过扫描线来进行的，所有的扫描线都受到测试访问控制端口（有的扫描线都受到测试访问控制端口（TAPTAP）控制，）控制，并通过芯片与并通过芯片与JTAGJTAG接口连接，故可保持不同接口连接，故可保持不同CPUCPU之间之间的接口控制的兼容性。调试工具只要支持的接口控制的兼容性。调试工具只要支持TAPTAP端口访端口访问，就能进行问，就能进行ARMARM的系统调试。的系统调试。3232位体系结构的性能优势位体系结构的性能优势 （1 1）寻址空间大寻址空间大 在在ARMARM的体系结构里，所有的资的体系结构里，所有的资源，如存储器、控制寄存器
6、、源，如存储器、控制寄存器、I/OI/O端口等都是在有端口等都是在有效地址空间内采用统一编址的，方便了程序在不同效地址空间内采用统一编址的，方便了程序在不同处理器间的移植。处理器间的移植。（2 2）运算和数据处理强运算和数据处理强 采用了先进的采用了先进的CPUCPU设计理设计理念、多总线接口（哈佛结构）、多级流水线、高速念、多总线接口（哈佛结构）、多级流水线、高速缓存、数据处理增强等技术，这样几乎所有的通信缓存、数据处理增强等技术，这样几乎所有的通信协议栈都能在协议栈都能在3232位位CPUCPU中轻松实现。使得中轻松实现。使得C C、C+C+、JavaJava等高级语言得到了广泛的应用空间
7、。另外多数等高级语言得到了广泛的应用空间。另外多数的微处理器都包含有的微处理器都包含有DMADMA控制器，这样就进一步提控制器，这样就进一步提高了整个芯片的数据能力。高了整个芯片的数据能力。3232位体系结构的性能优势位体系结构的性能优势 （3 3）操作系统的支持）操作系统的支持 如果某个系统需要有多任务的调度、图如果某个系统需要有多任务的调度、图形化的人机界面、文件管理系统、网络协议形化的人机界面、文件管理系统、网络协议等需求，那么就必须使用嵌入式操作系统。等需求，那么就必须使用嵌入式操作系统。一般复杂的操作系统在多进程管理中还需要一般复杂的操作系统在多进程管理中还需要有硬件存储器保护单元（
8、有硬件存储器保护单元（MPUMPU）或管理单元）或管理单元（MMUMMU）的支持。目前）的支持。目前ARM9ARM9以上的微处理器以上的微处理器均有这些支持，可运行均有这些支持，可运行LinuxLinux、Win CEWin CE和和VxWorksVxWorks等众多操作系统。等众多操作系统。基于指令集体系结构的分类版本基于指令集体系结构的分类版本 ARM ARM架构处理器定义了架构处理器定义了6 6种不同的版本：种不同的版本：V1 V1 版架构版架构:基本的数据处理指令（无乘法）；基本的数据处理指令（无乘法）；字节、半字和字的字节、半字和字的Load/Store Load/Store 指令；
9、转移指指令；转移指令，包括子程序调用及链接指令；软件中断指令，包括子程序调用及链接指令；软件中断指令；寻址空间令；寻址空间64MB64MB（2 226 26）。）。V2 V2 版架构版架构:在在V1V1版上进行了扩充，例如版上进行了扩充，例如ARM2ARM2和和ARM3ARM3架构，并增加了以下功能：乘法和乘加指架构，并增加了以下功能：乘法和乘加指令；支持协处理器操作指令；快速中断模式；令；支持协处理器操作指令；快速中断模式；SWP/SWPBSWP/SWPB的基本存储器与寄存器交换指令；寻的基本存储器与寄存器交换指令；寻址空间址空间64MB64MB。基于指令集体系结构的分类版本基于指令集体系结
10、构的分类版本 V3V3版架构版架构:V3 V3架构对架构对ARMARM体系结构作了较大的改体系结构作了较大的改动，把寻址空间增至动，把寻址空间增至3232位，增加了当前程序状态位，增加了当前程序状态寄存器寄存器CPSRCPSR和存储程序状态寄存器和存储程序状态寄存器SPSRSPSR，以便增，以便增强对异常情况的处理。增加了中止和未定义二种强对异常情况的处理。增加了中止和未定义二种处理模式。处理模式。ARM6ARM6就是采用该版架构。就是采用该版架构。V4V4版架构版架构:它在它在V3V3版架构上作了进一步扩充，使版架构上作了进一步扩充，使ARMARM使用更加灵活。使用更加灵活。ARM7ARM7
11、、ARM8ARM8、ARM9 ARM9 都采用该都采用该版结构。增加功能有符号化和半符号化半字及符版结构。增加功能有符号化和半符号化半字及符号化字节的存取指令；增加了号化字节的存取指令；增加了1616位的位的ThumbThumb指令指令集；完善了软件中断集；完善了软件中断SWISWI指令的功能；处理器系指令的功能；处理器系统模式引进特权方式时使用用户寄存器操作；把统模式引进特权方式时使用用户寄存器操作；把一些未使用的指令空间扑获为未定义指令。一些未使用的指令空间扑获为未定义指令。基于指令集体系结构的分类版本基于指令集体系结构的分类版本 V5V5版架构版架构：ARM10 ARM10 和和XSca
12、leXScale都采用该版架构。新都采用该版架构。新增指令有：带有连接和交换的转移增指令有：带有连接和交换的转移BLXBLX指令；计指令；计数前导零数前导零CLZCLZ指令；指令；BBKBBK中断指令；增建了数字信中断指令；增建了数字信号处理指令；为协处理器增加了更多可选择的指号处理指令；为协处理器增加了更多可选择的指令。令。V6V6版架构：版架构：是在低功耗的同时，还强化了图形处是在低功耗的同时，还强化了图形处理性能，追加有效进行多媒体处理的理性能，追加有效进行多媒体处理的SIMDSIMD功能。功能。于于20022002年推出，年推出，ARM11 ARM11 采用该架构，具体新增加采用该架构
13、，具体新增加了以下功能：了以下功能：THUMBTHUMBTMTM-35%-35%代码压缩；代码压缩；DSPDSP扩充扩充-高性能定点高性能定点DSPDSP功能；功能；JazelleJazelleTMTM-Java-Java性能优化，性能优化，可提高可提高8 8倍；倍；MediaMedia扩充扩充-音音/视频性能优化，可提视频性能优化，可提高高4 4倍。另外还支持多微处理器内核。倍。另外还支持多微处理器内核。ARMARM微处理器系列产品及性能简介微处理器系列产品及性能简介 1 1）系列产品分类）系列产品分类 ARMARM处理器当前有处理器当前有5 5个产品系列：个产品系列：ARM7ARM7、AR
14、M9ARM9、ARM9EARM9E、ARM10ARM10和和ARM11ARM11。进一步的产品来自于合作伙。进一步的产品来自于合作伙伴，例如伴，例如Intel XscaleIntel Xscale微体系结构和产品。微体系结构和产品。ARM7ARM7、ARM9ARM9、ARM9EARM9E和和ARM10ARM10是是4 4个通用处理器系个通用处理器系列。每个系列提供一套特定的性能来满足设计者对列。每个系列提供一套特定的性能来满足设计者对功耗、性能和体积的需求。功耗、性能和体积的需求。ARM11ARM11是第是第5 5个产品系列，是专门为安全设备而设个产品系列，是专门为安全设备而设计的。性能高达计
15、的。性能高达1.2MIPS1.2MIPS（XscaleXscale微体系结构），功微体系结构），功耗测量为耗测量为W/MHzW/MHz，并且所有体系结构兼容。，并且所有体系结构兼容。ARM ARM公司是嵌入式公司是嵌入式RISCRISC处理器的知识产权处理器的知识产权IPIP供供应商，它为应商，它为ARMARM架构处理器提供了架构处理器提供了ARMARM处理器处理器内核内核和和ARMARM处理器核处理器核。处理器内核处理器内核只保持了最基本的组织架构。只保持了最基本的组织架构。处理器核处理器核是在最基本的处理器内核基础上增是在最基本的处理器内核基础上增加了加了CacheCache、存储器管理单
16、元、存储器管理单元MMUMMU、协处理器、协处理器C15C15、先进微控制器总线架构先进微控制器总线架构AMBAAMBA接口以及接口以及EMTEMT宏单元等宏单元等部件，这样就构成了部件，这样就构成了ARMARM处理器核。处理器核。ARMARM微处理器系列产品及性能简介微处理器系列产品及性能简介MPUMPU的生产厂家简介的生产厂家简介 由集成电路厂商在处理器内核和处理器核基础上设由集成电路厂商在处理器内核和处理器核基础上设计，嵌入各种外围和处理部件，形成各种嵌入式微处理计，嵌入各种外围和处理部件，形成各种嵌入式微处理器器MPUMPU。例如：。例如：IntelIntel公司：公司：PXA25XP
17、XA25X、27X27X系列微处理器（采用系列微处理器（采用XScale XScale 核）；核）；TITI公司：公司：OMAP59XXOMAP59XX微处理器，（采用微处理器，（采用ARM+DSPARM+DSP双核）；双核）；MotorolaMotorola公司：公司：MX1MX1微处理器微处理器MPUMPU（ARM922TARM922T核）；核）；ATMELATMEL公司公司:AT91:AT91系列系列MPUMPU（采用（采用ARM7TDMIARM7TDMI内核、内核、ARM920TARM920T核）；核）；PhilipsPhilips公司公司：IPC2XXXIPC2XXX系列（系列（AR
18、M7TDMIARM7TDMI内核）等等内核）等等。ARMARM微处理器系列产品及性能简介微处理器系列产品及性能简介ARMARM微处理器后缀命名的含义微处理器后缀命名的含义标志标志含义含义说明说明T支持支持Thumb指令集指令集 Thumb指令集版本指令集版本1：ARMv4T Thumb指令集版本指令集版本2：ARMv5T Thumb-2：ARMv6TD片上调试片上调试 DebugM支持长乘法支持长乘法 32位乘位乘32位得到位得到64位，位，32位的乘加得到位的乘加得到64位位IEmbedded ICE 在线仿真在线仿真EDSP指令指令 增加了增加了DSP算法处理器指令：算法处理器指令：16位
19、乘加指令，带符位乘加指令，带符号数的加减法，双字数据操作，号数的加减法，双字数据操作，cache预取指令预取指令JJava加速器加速器Jazelle 提高提高java代码的运行速度代码的运行速度S可综合可综合 提供提供VHDL或或Verilog语言设计文件语言设计文件ARMARM处理器内核处理器内核/处理器核的分类处理器核的分类（1 1）ARM7TARM7T和和ARM7E FamilyARM7E FamilyUnified Cache内存管理流水线级别ThumbDSPJazelleARM7TDMI无无3有无无ARM7TDMI-S无无3有无无ARM710T/720T8kMMU3有无无ARM740
20、T8k或4kMPU3有无无ARM7EJ-S无无3有有有乘法器乘法器指令指令解码解码地址地址自增器自增器nRESETnMREQSEQABORTnIRQnFIQnRWMAS1:0LOCKnCPICPACPBnWAITMCLKnOPCBIGENDISYNCnTRANSnM4:0D31:0桶桶移位器移位器32 位位 ALUDBE写数据写数据 寄存器寄存器读数据读数据 寄存器寄存器地址寄存器地址寄存器寄存器寄存器 BankA31:0ABE及及控制控制 逻辑逻辑PC Update解码站解码站指令指令 解压缩解压缩IncrementerPCABusBBusALUBusARM7TDMIARM7TDMI内核内核
21、ARM7ARM7微处理器系列主要特点微处理器系列主要特点 ARM7 ARM7微处理器系列为低功耗的微处理器系列为低功耗的3232位位RISCRISC处理器，最适合用于对价位和功耗要求较高处理器，最适合用于对价位和功耗要求较高的消费类应用。其具有如下特点：的消费类应用。其具有如下特点：具有嵌入式具有嵌入式ICE-RTICE-RT逻辑，调试方便。逻辑，调试方便。极低的功耗（极低的功耗（100mW100mW左右），适合对功耗要左右），适合对功耗要求较高的应用，如便携式产品。求较高的应用，如便携式产品。采用三级流水线。采用三级流水线。采用采用ARM V4ARM V4指令集指令集。ARM7ARM7微处理
22、器系列主要特点微处理器系列主要特点 能够提供能够提供0.9MIPS/MHZ0.9MIPS/MHZ的三级流水线结构。的三级流水线结构。兼容兼容1616位位ThumbThumb指令集；对操作系统的支持广指令集；对操作系统的支持广泛，包括泛，包括Win CEWin CE、LinuxLinux等等 ；指令系统与；指令系统与ARM9ARM9、ARM10EARM10E系列兼容，便于用户的产品升级换代；主系列兼容，便于用户的产品升级换代；主频通常为频通常为20-100MHZ20-100MHZ。速度为。速度为0.9MIPS/MHz 0.9MIPS/MHz。ARM7TMDIARM7TMDI是目前使用最广泛的是目
23、前使用最广泛的3232位嵌入式位嵌入式RISCRISC处理器，属低端处理器，属低端ARMARM处理器内核。主要性能：处理器内核。主要性能：工艺工艺0.35um0.35um（新近（新近0.25um0.25um）、电压）、电压3.3V3.3V（新近（新近1.2v1.2v）、时钟）、时钟20-133MHZ20-133MHZ、功耗、功耗87mW87mW。注：注：MPU只支持实时操作系统。只支持实时操作系统。ARM7TDMIARM7TDMI内核内核地址地址地址地址数据读数据读AMBA接口接口写写缓冲缓冲MMU数据写数据写数据数据ARM7xxT控制控制逻辑逻辑CacheAMBA总线总线接口接口JTAG 和
24、非和非 AMBA 信号信号CP15ARM710T8K 统一的统一的 cache 完整的内存管理单元完整的内存管理单元（MMU），），支持虚拟地支持虚拟地址和存储器保护址和存储器保护写缓冲写缓冲ARM720T同同ARM710T，但支持，但支持 WinCEARM740T8K 统一的统一的 cache内存管理单元内存管理单元写缓冲写缓冲（2 2）ARM9 FamilyARM9 FamilyCache内存管理流水线级别ThumbDSPJazelleARM9TDMI无无5有无无ARM920T16K/16kMMU5有无无ARM922T8k/8kMMU5有无无ARM940T4k/4kMPU5有无无ARM9T
25、DMIARM9TDMIInstructionFetch Shift+ALUMemoryAccessRegWriteRegReadRegDecodeFETCHDECODEEXECUTEMEMORYWRITEARM9TDMIARM or ThumbInst DecodeReg SelectRegReadShiftALURegWriteThumbARMdecompressARM decodeInstructionFetchFETCHDECODEEXECUTEARM7TDMIARM9TDMIARM9TDMIARM9TDMID CacheI CacheMMUGLUE外部外部存储器存储器ARM940T2x
26、 4K caches MPU写缓冲写缓冲ARM9xxTARM920T2x 16K caches MMU支持虚拟地址和内存保护支持虚拟地址和内存保护 写缓冲写缓冲ARM9TDMIARM9TDMI体系结构框图体系结构框图ARM9TDMI CPU指令接口指令接口数据地址接口数据地址接口跟踪接口跟踪接口数据接口数据接口JTAG接口接口指令地址接口指令地址接口ARM9TDMI结构框图结构框图 ARM920T ARM920T体系结构框图体系结构框图ARM920TARM920T体系结构框图体系结构框图NoImageARM9ARM9微处理器系列主要特点微处理器系列主要特点 ARM9 ARM9系列微处理器在高性
27、能和低功耗特性系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能，在相同的工艺下其性方面提供最佳的性能，在相同的工艺下其性能是能是ARM7ARM7的的2 2倍，具有以下特点：倍，具有以下特点：5 5级整数流水线级整数流水线，工作频率一般为，工作频率一般为200MHz200MHz左左右，提供右，提供1.1MIPS/MHZ1.1MIPS/MHZ的哈佛结构。的哈佛结构。支持支持3232位位ARMARM指令集和指令集和1616位位ThumbThumb指令集。指令集。支持支持3232位的高速位的高速AMBAAMBA总线接口。总线接口。采用哈佛体系结构采用哈佛体系结构。ARM9ARM9微处理器系列主要特点
28、微处理器系列主要特点 全性能的全性能的MMUMMU，支持包括，支持包括WinCEWinCE、LinuxLinux等操作系等操作系统，统，MPUMPU支持实时操作系统。支持实时操作系统。支持数据支持数据CacheCache和指令和指令CacheCache，具有更高的指令和，具有更高的指令和数据处理能力。数据处理能力。ARM9ARM9是低价、低功耗、高性能系统处理器。是低价、低功耗、高性能系统处理器。典型产品典型产品ARM9TDMI ARM9TDMI 主要性能：工艺主要性能：工艺0.25um0.25um（新近（新近0.18um0.18um）、电压）、电压2.5V2.5V（新近（新近1.2v1.2v
29、）、时钟）、时钟0-200MHZ0-200MHZ、功耗、功耗150mW150mW。ARM9ARM9系列主要用于无线设备、仪器仪表、安系列主要用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。字摄像机等。ARM9E Family ARM9E FamilyCache内存管理流水线级别ThumbDSPJazelleARM9E-S无无5有有无ARM946E-S4k-1M/4k-1MMPU5有有无ARM966E-S无无5有有无ARM968E-S无无5有有无ARM9EJ-S无无5/6有有有ARM926EJ-S14k-128k/4k-1
30、28kMMU5/6有有有ARM9EARM9E微处理器系列主要特点微处理器系列主要特点 ARM9EARM9E系列微处理器为综合型处理器，系列微处理器为综合型处理器，使用单一的处理器内核提供了微处理器、使用单一的处理器内核提供了微处理器、DSPDSP、JavaJava应用系统的解决方案，极大地应用系统的解决方案，极大地减少了芯片的面积和系统的复杂程度。减少了芯片的面积和系统的复杂程度。具有以下特点：具有以下特点：ARM9EARM9E微处理器系列主要特点微处理器系列主要特点 支持支持DSPDSP指令集，应用高速数字信号处理的场合；指令集，应用高速数字信号处理的场合；5 5级整数流水线；级整数流水线；
31、最高主频可达最高主频可达300MHZ300MHZ；支持支持3232位位ARMARM指令集和指令集和1616位位ThumbThumb指令集；指令集；支持支持3232位的高速位的高速AMBAAMBA总线接口；总线接口；支持支持VFP9VFP9浮点处理协处理器；浮点处理协处理器；全性能的全性能的MMUMMU，支持包括，支持包括Win CEWin CE、LinuxLinux等操作系统，等操作系统，MPUMPU支持实时操作系统。支持实时操作系统。支持数据支持数据CacheCache和指令和指令CacheCache，具有更高的指令和数，具有更高的指令和数据处理能力。据处理能力。ARM9EARM9E系列主要
32、用于下一代无线设备、成像设备、系列主要用于下一代无线设备、成像设备、工业控制、存储设备、数字消费品和网用场合。工业控制、存储设备、数字消费品和网用场合。（3 3）ARM10EARM10E和和ARM10T FamilyARM10T FamilyARM10EJ-S无无6有有有ARM1026EJ-S0,4-128k/0,4-128kMMU6有有有Cache内存管理流水线级别ThumbDSPJazelleARM10E无无6有有无ARM1020E32k/32kMMU6有有无ARM1022E16k/16kMMU6有有无ARM10TDMI无无6有无无ARM1020T32k/32kMMU6有无无ARM10E
33、ARM10E 系列概述系列概述v5TEv5TE架构架构CPI CPI 1.3 1.36 6 级流水线级流水线静态分支预测静态分支预测32kB 32kB 指令指令cachecache和和32kB32kB数据数据cachecache支持支持“Hit under miss”Hit under miss”非阻塞的执行单元非阻塞的执行单元每周期每周期64 64 位的位的 LDM/STMLDM/STM操作操作EmbeddedICEEmbeddedICE逻辑逻辑 -RT-II-RT-II支持新的支持新的 VFPv1 VFPv1 结构结构同同ARM1020EARM1020E，除了，除了cachecache大小
34、为大小为16kB16kB对对SUDL(single user design license)SUDL(single user design license)有效有效ARM1020EARM1022EARM10EARM10E微处理器系列主要特点微处理器系列主要特点 ARM10E ARM10E系列微处理器由于采用了新的系列微处理器由于采用了新的体系结构，与同等的体系结构，与同等的ARM9ARM9处理器相比较，处理器相比较，在同样的时钟频率下，性能提高了近在同样的时钟频率下，性能提高了近50%50%，同时又大大减少了芯片的功耗，在相同同时又大大减少了芯片的功耗，在相同的工艺下其性能是的工艺下其性能是A
35、RM9ARM9的的2 2倍。具有以下倍。具有以下特点：特点：ARM10EARM10E微处理器系列主要特点微处理器系列主要特点 支持支持DSPDSP指令集，适合高速数字信号处理的场合；指令集，适合高速数字信号处理的场合；6 6级整数流水线；级整数流水线；工作频率一般为工作频率一般为400/600MHz400/600MHz左右；左右；支持支持3232位位ARMARM指令集和指令集和1616位位ThumbThumb指令集；指令集；支持支持3232位的高速位的高速AMBAAMBA总线接口；总线接口；支持支持VFP10VFP10浮点处理协处理器；浮点处理协处理器；内嵌并行读内嵌并行读/写操作部件；写操作
36、部件；全性能的全性能的MMUMMU，支持包括，支持包括Win CEWin CE、LinuxLinux等操作系统，等操作系统，MPUMPU支持实时操作系统。支持实时操作系统。支持数据支持数据CacheCache和指令和指令CacheCache，具有更高的指令和数据，具有更高的指令和数据处理能力。处理能力。ARM10EARM10E系列主要用于下一代无线设备、成像设备、工系列主要用于下一代无线设备、成像设备、工业控制、存储设备、数字消费品和网用场合。业控制、存储设备、数字消费品和网用场合。ARM9 vs ARM10NoImage（4 4）ARM11 FamilyARM11 FamilyCache内存
37、管理流水线级别ThumbDSPJazelle浮点运算ARM1136J-S4-64kMMU8有有有无ARM1136JF-S4-64kMMU8有有有有ARM1156T2-S可配置9Thumb-2有无无ARM1156T2F-S可配置9Thumb-2有无有ARM11ARM11微处理器系列主要特点微处理器系列主要特点 ARM11 ARM11 是采用是采用ARM V6ARM V6结构，内部具有结构，内部具有8 8级流水线级流水线处理、动态分支预测与返回堆栈。在处理、动态分支预测与返回堆栈。在0.13um0.13um工艺下，工艺下，ARM11TMARM11TM的运行频率高达的运行频率高达1000Mhz100
38、0Mhz。在。在1.2V1.2V电压的条电压的条件下其功耗可以低至件下其功耗可以低至0.4mW/Mz0.4mW/Mz。ARM11ARM11中另一个重要的结构改进，是静、动组合中另一个重要的结构改进，是静、动组合的跳转予判。的跳转予判。动态预测和静态预测的组合使动态预测和静态预测的组合使ARM11ARM11处理器能达到处理器能达到85%85%的预测正确性。的预测正确性。ARM11ARM11包含一个包含一个6464位端口、位端口、4 4种状态的跳转目标种状态的跳转目标地址缓存。地址缓存。新的新的ARM11ARM11支持支持SIMDSIMD指令指令，可使某些算法，可使某些算法的运算的速度提高的运算的
39、速度提高2-32-3倍。倍。ARM11ARM11微处理器系列主要特点微处理器系列主要特点 ARM V6 ARM V6保持了保持了100%100%的二进制向下兼容，使的二进制向下兼容，使用户过去开发的程序可以进一步继承下去。用户过去开发的程序可以进一步继承下去。增加了多媒体处理指令单元扩展，单指令增加了多媒体处理指令单元扩展，单指令流多数据流（流多数据流（SIMD)SIMD)。增加了快速浮点运算和向量浮点运算。增加了快速浮点运算和向量浮点运算。目前目前ARMARM公布了三个新的公布了三个新的ARM11ARM11系列微处理系列微处理器内核系列，分别是器内核系列，分别是ARM1136JARM1136
40、J内核、内核、ARM1156T2ARM1156T2内核、内核、ARM1176JZARM1176JZ内核。内核。（5 5）XScaleXScale结构结构 Intel Intel公司发展了新一代微处理器体公司发展了新一代微处理器体系结构就是系结构就是XScaleXScale处理器。处理器。XScaleXScale处理处理器是基于器是基于ARM v5TEARM v5TE（第（第5 5版）体系结构所版）体系结构所设计的，具有协处理器接口，可以直接设计的，具有协处理器接口，可以直接扩展扩展DSPDSP处理器。目前已使用在数字移动处理器。目前已使用在数字移动电话、个人数字助理和网络产品等场合。电话、个人
41、数字助理和网络产品等场合。XScaleXScale处理器是目前主要推广的一款处理器是目前主要推广的一款ARMARM处理器。处理器。（5 5）XScaleXScale结构结构 基于基于XScale PXA250XScale PXA250微处理器性能如下微处理器性能如下:内核工作频率：内核工作频率：100-400MHZ100-400MHZ；I-Cache 32KBI-Cache 32KB和和D-D-Cache 32KBCache 32KB；I-MMU+D-MMU I-MMU+D-MMU（各（各3232路变换后备缓路变换后备缓冲器冲器TLBTLB快表）；快表）；7/87/8级流水线级流水线 系统存储
42、器接口：系统存储器接口：100MHZ SDRAM100MHZ SDRAM；4-256MB SDRAM4-256MB SDRAM；支持支持16-256MB DRAM16-256MB DRAM；4 4个个SDRAMSDRAM区，每个区支持区，每个区支持64MB64MB存储器；支持存储器；支持2 2个个PCMCIA/CFPCMCIA/CF卡插槽。卡插槽。外围接口：具有外围接口：具有1616个通道的个通道的DMADMA控制器；控制器；LCDLCD控制器控制器（支持被动（支持被动DSTNDSTN和主动和主动TFTTFT显示，最大分辨率显示，最大分辨率800800*600600*1616；系统集成模块（；
43、系统集成模块（GPIOGPIO、中断控制器、中断控制器、PWMPWM）；）；USBUSB，3 3个个UARTUART，红外（，红外（FIRFIR）、）、I I2 2C C总线接总线接口、多媒体通信口、动态电源管理技术。口、多媒体通信口、动态电源管理技术。（6 6）典型的嵌入式处理器（中国）典型的嵌入式处理器（中国）ARMARM已经与中兴、华为、东南大学、上海集成电已经与中兴、华为、东南大学、上海集成电路设计中心、中芯国际和大唐电信签订了技术授权路设计中心、中芯国际和大唐电信签订了技术授权协议。国内的微处理器系列有方舟系列协议。国内的微处理器系列有方舟系列 ：方舟方舟1 1号号性能性能 166M
44、Hz166MHz，功耗功耗1.21.2瓦瓦166MHz166MHz，0.250.25微米微米CMOSCMOS，1 1层多晶硅，层多晶硅，5 5层金属，封装层金属，封装HS-BGAHS-BGA，272272个管脚，个管脚，27mm27mm*27mm27mm。方舟方舟2 2号：性能号：性能400MHz400MHz，功耗，功耗360mW400MHz360mW400MHz，0.180.18微米微米CMOSCMOS，1 1层多晶硅，层多晶硅，6 6层金属层金属 封装封装PBGAPBGA，304304个管脚，个管脚，23mm23mm*23mm23mm。龙芯系列是神州龙芯公司推出的兼顾通用和嵌入式微处龙芯系
45、列是神州龙芯公司推出的兼顾通用和嵌入式微处理器特点的新一代理器特点的新一代3232微处理器。采用微处理器。采用0.180.18微米微米CMOSCMOS工艺制工艺制造，平均功耗造，平均功耗0.4W0.4W。ARMARM微处理器体系结构微处理器体系结构（1 1）ARMARM微处理器的工作状态微处理器的工作状态 从编程的角度看，从编程的角度看，ARMARM微处理器的工作状态有两微处理器的工作状态有两种，可在两种状态之间切换：种，可在两种状态之间切换：第一种为第一种为ARMARM状态，此时处理器执行状态，此时处理器执行3232位的字对齐的位的字对齐的ARMARM指令；指令；第二种为第二种为ThumbT
46、humb状态，此时处理器执行状态，此时处理器执行1616位的、半字位的、半字对齐的对齐的ThumbThumb指令。指令。（2 2）ARMARM微处理器存储格式微处理器存储格式 ARMARM的寻址空间是线性的地址空间，为的寻址空间是线性的地址空间，为2 23232=4G=4G Bytes 0 to 3 Bytes 0 to 3 存储第一个存储第一个word,bytes 4 to word,bytes 4 to 7 7存储第二个存储第二个wordword ARMARM支持大端（支持大端（Big-endianBig-endian）和小端（）和小端（Little-Little-endianendian
47、）的内存数据方式，）的内存数据方式，可以通过硬件的方可以通过硬件的方式设置（没有提供软件的方式）端模式式设置（没有提供软件的方式）端模式（2 2）ARMARM体系结构的存储器格式体系结构的存储器格式 大端格式大端格式：被存放字数据的高字节存储：被存放字数据的高字节存储在存储系统的低地址中，而被存放的字在存储系统的低地址中，而被存放的字数据的低字节则存放在存储系统的高地数据的低字节则存放在存储系统的高地址中。址中。小端格式小端格式：与大端存储格式相反，在小：与大端存储格式相反，在小端存储格式中，存储系统的低地址中存端存储格式中，存储系统的低地址中存放的是被放字数据中的低字节内容，存放的是被放字数
48、据中的低字节内容，存储系统的高地址存放的是被存字数据中储系统的高地址存放的是被存字数据中的高字节内容。的高字节内容。（3 3）处理器运行模式）处理器运行模式 ARM ARM微处理器支持微处理器支持7 7种运行模式，分别为：种运行模式，分别为：用户模式（用户模式（USRUSR）：）：ARMARM处理器正常程序执行的模式。处理器正常程序执行的模式。快速中断模式（快速中断模式（FIQ FIQ）：用于高速数据传输或通道）：用于高速数据传输或通道处理用于快速中断服务程序。处理用于快速中断服务程序。当处理器的快速中断请当处理器的快速中断请求引脚有效，且求引脚有效，且CPSRCPSR（6 6位）中位）中F
49、F位为位为0 0时（开中断），时（开中断），会产生会产生FIQFIQ异常。异常。外部中断模式（外部中断模式（IRQ IRQ）：用于通用的中断处理，当）：用于通用的中断处理，当处理器的外部中断请求引脚有效，且处理器的外部中断请求引脚有效，且CPSRCPSR（7 7位）中位）中I I位为位为0 0时（开中断），会产生时（开中断），会产生IRQIRQ异常。系统的外设可异常。系统的外设可通过该异常请求中断服务。通过该异常请求中断服务。特权模式或管理员模式（特权模式或管理员模式（SVESVE）：操作系统使用的保）：操作系统使用的保护模式。当执行软件中断护模式。当执行软件中断SWISWI指令和复位指令时，
50、就指令和复位指令时，就进入管理模式，在对操作系统运行时工作在该模式下。进入管理模式，在对操作系统运行时工作在该模式下。（3 3）处理器运行模式）处理器运行模式 数据访问中止模式数据访问中止模式(ABT)(ABT)：用于虚拟存储器和存储：用于虚拟存储器和存储保护，当存储器数据访问无效时就进入该模式保护，当存储器数据访问无效时就进入该模式 。若处理器数据访问指令的地址不存在或该地址不允若处理器数据访问指令的地址不存在或该地址不允许当前指令访问时，也产生数据中止异常。许当前指令访问时，也产生数据中止异常。未定义指令中止模式（未定义指令中止模式（UNDUND）：用于支持硬件协处）：用于支持硬件协处理器
