第2章微处理器硬件结构PPT讲稿.ppt

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1、第2章微处理器硬件结构第1页，共99页，编辑于2022年，星期一嵌入式处理器体系结构嵌入式处理器体系结构按体系结构的不同可分为五大类按体系结构的不同可分为五大类ARMPOWER PCMIPSX86SH系列系列 第2页，共99页，编辑于2022年，星期一第3页，共99页，编辑于2022年，星期一第第2章章 ARM微处理器硬件结构微处理器硬件结构2.0 什么是什么是ARM2.0 CISC和和RISC技术技术2.1 计算机体系结构分类计算机体系结构分类冯冯诺依曼结构诺依曼结构哈佛结构哈佛结构2.2 ARM的版本及系列的版本及系列2.3 ARM处理器结构处理器结构2.4 存储系统机制存储系统机制2.5

2、 嵌入式系统的开发嵌入式系统的开发第4页，共99页，编辑于2022年，星期一掌握冯掌握冯诺依曼体系结构和哈佛体系结构两种计算诺依曼体系结构和哈佛体系结构两种计算机体系结构及其区别。机体系结构及其区别。了解了解RISC技术。技术。了解了解ARM定义、版本及处理器版本。定义、版本及处理器版本。了解了解ARM处理器结构。处理器结构。了解存储系统机制。了解存储系统机制。本章要求：本章要求：第第2章章 ARM微处理器硬件结构微处理器硬件结构第5页，共99页，编辑于2022年，星期一2.0 2.0 什么是什么是ARMARM ARM是是Advanced RISC Machine的缩写，它是的缩写，它是一家微

3、处理器行业的知名企业，该企业设计一家微处理器行业的知名企业，该企业设计大量高性能、廉价、耗能低的大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器。处理器。1985年第一个年第一个ARM原型在英国剑桥诞生。原型在英国剑桥诞生。公司的特点是只设计芯片，不生产芯片。公司的特点是只设计芯片，不生产芯片。提供提供ARM技术知识产权（技术知识产权（IP）核，将技术授）核，将技术授权给世界上许多著名的半导体、软体和权给世界上许多著名的半导体、软体和OEM厂商，并提供服务。厂商，并提供服务。第6页，共99页，编辑于2022年，星期一2.0 2.0 什么是什么是ARMARM有多个版本，除了一些有多个版本，除了一些Uni

4、x图形工作站之外，大多图形工作站之外，大多数数ARM核心的处理器都是用在嵌入式领域。核心的处理器都是用在嵌入式领域。ARM既可以认为是一个公司的名字，也可认为是对一既可以认为是一个公司的名字，也可认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。第7页，共99页，编辑于2022年，星期一ARM Partnership Model第8页，共99页，编辑于2022年，星期一CISC：复杂指令集计算机（复杂指令集计算机（Complex Instruction Set Computer）具有大量的指令和寻址方式具有大量的指令和寻址方式8/2原则：原则

5、：80%的程序只使用的程序只使用20%的指令的指令大多数程序只使用少量的指令就能够运行。大多数程序只使用少量的指令就能够运行。RISC：精简指令集计算机（精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computer）在通道中只包含最有用的指令在通道中只包含最有用的指令确保数据通道快速执行每一条指令确保数据通道快速执行每一条指令使使CPU硬件结构设计变得更为简单硬件结构设计变得更为简单 2.0 CISC2.0 CISC和和RISCRISC技术技术第9页，共99页，编辑于2022年，星期一典型的高性能RISC处理器MIPS公司的SGI:MIPS(1986)SUN公司的SPAR

6、C(1987)HP公司的PA-RISC,IBM,Motorola公司的PowerPCDEC、Compac公司的Alpha AXPIBM的RS6000(1990)第一台Superscalar RISC机 第10页，共99页，编辑于2022年，星期一CISC与RISC的对比类别CISCRISC指令系统指令数量很多较少，通常少于100执行时间有些指令执行时间很长，如整块的存储器内容拷贝；或将多个寄存器的内容拷贝到存贮器没有较长执行时间的指令编码长度编码长度可变，1-15字节编码长度固定，通常为4个字节寻址方式寻址方式多样简单寻址操作可以对存储器和寄存器进行算术和逻辑操作只能对寄存器进行算术和逻辑操作

7、，Load/Store体系结构编译难以用优化编译器生成高效的目标代码程序 采用优化编译技术，生成高效的目标代码程序 第11页，共99页，编辑于2022年，星期一冯冯诺依曼体系结构诺依曼体系结构2.1 2.1 计算机体系结构分类计算机体系结构分类哈佛体系结构哈佛体系结构第12页，共99页，编辑于2022年，星期一冯冯诺依曼体系结构模型诺依曼体系结构模型指令寄存器指令寄存器控制器控制器数据通道数据通道输入输入输出输出中央处理器中央处理器存储器存储器程序程序指令指令0指令指令1指令指令2指令指令3指令指令4数据数据数据数据0数据数据1数据数据22.1 2.1 计算机体系结构分类计算机体系结构分类第1

8、3页，共99页，编辑于2022年，星期一1）取指令（）取指令（Instruction Fetch)：TF2）指令译码（）指令译码（Instruction Decode）：）：TD3）执行指令（）执行指令（Instruction Execute）：）：TE4）存储（）存储（Storage）：）：TS冯冯诺依曼体系结构指令的执行周期诺依曼体系结构指令的执行周期T2.1 2.1 计算机体系结构分类计算机体系结构分类每条指令的执行周期：每条指令的执行周期：T=TF+TD+TE+TS第14页，共99页，编辑于2022年，星期一1）数据与指令都存储在存储器中）数据与指令都存储在存储器中2）被大多数计算机所

9、采用）被大多数计算机所采用冯冯诺依曼体系结构的特点诺依曼体系结构的特点2.1 2.1 计算机体系结构分类计算机体系结构分类ARM7冯冯诺依曼体系结构诺依曼体系结构第15页，共99页，编辑于2022年，星期一指令寄存器指令寄存器控制器控制器数据通道数据通道输入输入输出输出中央处理器中央处理器程序存储器程序存储器指令指令0指令指令1指令指令2数据存储器数据存储器数据数据0数据数据1数据数据2地址地址指令指令地址地址数据数据哈佛体系结构哈佛体系结构2.1 2.1 计算机体系结构分类计算机体系结构分类第16页，共99页，编辑于2022年，星期一1）程序存储器与数据存储器分开）程序存储器与数据存储器分开

10、2）提供了较大的存储器带宽）提供了较大的存储器带宽3）适合于数字信号处理）适合于数字信号处理4）大多数）大多数DSP都是哈佛结构都是哈佛结构ARM9哈佛体系结构哈佛体系结构哈佛体系结构的特点哈佛体系结构的特点2.1 2.1 计算机体系结构分类计算机体系结构分类第17页，共99页，编辑于2022年，星期一 ARM体系结构从最初开发到现在有了很大的改进，体系结构从最初开发到现在有了很大的改进，并仍在完善和发展。并仍在完善和发展。2.2 ARM2.2 ARM的版本及系列的版本及系列ARM体系结构版本体系结构版本为了清楚地表达每个为了清楚地表达每个ARMARM应用实例所使用的指应用实例所使用的指令集，

11、令集，ARMARM公司定义了公司定义了6 6种主要的种主要的ARMARM指令集体指令集体系结构版本，以版本号系结构版本，以版本号V1V6V1V6表示。表示。第18页，共99页，编辑于2022年，星期一该版架构只在原型机该版架构只在原型机ARM1出现过，只有出现过，只有26位的寻位的寻址空间，没有用于商业产品。址空间，没有用于商业产品。其基本性能有：其基本性能有：基本的数据处理指令（无乘法）；基本的数据处理指令（无乘法）；基于字节、半字和字的基于字节、半字和字的Load/Store指令；指令；转移指令，包括子程序调用及链接指令；转移指令，包括子程序调用及链接指令；供操作系统使用的软件中断指令供操

12、作系统使用的软件中断指令SWI；寻址空间：寻址空间：64MB。2.2 ARM2.2 ARM的版本及系列的版本及系列ARM体系结构版本体系结构版本I第19页，共99页，编辑于2022年，星期一该版架构对该版架构对V1版进行了扩展，例如版进行了扩展，例如ARM2和和ARM3（V2a架构）。包含了对架构）。包含了对32位乘法指令位乘法指令和协处理器指令的支持。和协处理器指令的支持。版本版本2a是版本是版本2的变种，的变种，ARM3芯片采用了版本芯片采用了版本2a，是第一片采用片上，是第一片采用片上Cache的的ARM处理器。同处理器。同样为样为26位寻址空间，现已废弃不再使用。位寻址空间，现已废弃不

13、再使用。2.2 ARM2.2 ARM的版本及系列的版本及系列ARM体系结构版本体系结构版本II第20页，共99页，编辑于2022年，星期一V2版架构与版本版架构与版本V1相比，增加了以下功能：相比，增加了以下功能：乘法和乘加指令；乘法和乘加指令；支持协处理器操作指令；支持协处理器操作指令；快速中断模式；快速中断模式；SWP/SWPB的最基本存储器与寄存器交换指令；的最基本存储器与寄存器交换指令；寻址空间：寻址空间：64MB2.2 ARM2.2 ARM的版本及系列的版本及系列ARM体系结构版本体系结构版本II第21页，共99页，编辑于2022年，星期一ARM作为独立的公司，在作为独立的公司，在1

14、990年设计的第一个年设计的第一个微处理器采用的版本微处理器采用的版本3的的ARM6。它作为。它作为IP核、核、独立的处理器、具有片上高速缓存、独立的处理器、具有片上高速缓存、MMU和写和写缓冲的集成缓冲的集成CPU。变种版本有变种版本有3G和和3M。版本。版本3G是不与版本是不与版本2a向向前兼容的版本前兼容的版本3，版本，版本3M引入了有符号和无符引入了有符号和无符号数乘法和乘加指令，这些指令产生全部号数乘法和乘加指令，这些指令产生全部64位位结果。结果。V3架构对架构对ARM体系结构做了较大的改动。体系结构做了较大的改动。2.2 ARM2.2 ARM的版本及系列的版本及系列ARM体系结构

15、版本体系结构版本III第22页，共99页，编辑于2022年，星期一寻址空间增至寻址空间增至32位（位（4GB）当前程序状态信息从原来的当前程序状态信息从原来的R15寄存器移到当前程序状态寄寄存器移到当前程序状态寄存器存器CPSR中（中（Current Program Status Register）；）；增加程序状态保存寄存器增加程序状态保存寄存器SPSR（Saved Program Status Register）；）；增加了两种异常模式，使操作系统代码可方便地使用数增加了两种异常模式，使操作系统代码可方便地使用数据访问中止异常、指令预取中止异常和未定义指令异常；据访问中止异常、指令预取中止

16、异常和未定义指令异常；增加了增加了MRS/MSR指令，以访问新增的指令，以访问新增的CPSR/SPSR寄存器；寄存器；增加了从异常处理返回的指令功能。增加了从异常处理返回的指令功能。2.2 ARM2.2 ARM的版本及系列的版本及系列ARM体系结构版本体系结构版本III第23页，共99页，编辑于2022年，星期一V4版架构在版架构在V3版上做了进一步扩充，版上做了进一步扩充，V4版架构是版架构是目前应用最广的目前应用最广的ARM体系结构，体系结构，ARM7、ARM8、ARM9和和StrongARM都采用该架构。都采用该架构。V4不再强制要求与不再强制要求与26位地址空间兼容，而且明位地址空间兼

17、容，而且明确了哪些指令会引起未定义指令异常。确了哪些指令会引起未定义指令异常。2.2 ARM2.2 ARM的版本及系列的版本及系列ARM体系结构版本体系结构版本IV第24页，共99页，编辑于2022年，星期一符号化和非符号化半字及符号化字节的存符号化和非符号化半字及符号化字节的存/取指令；取指令；增加了增加了T变种，处理器可工作在变种，处理器可工作在Thumb状态，增加了状态，增加了16位位Thumb指令集；指令集；完善了软件中断完善了软件中断SWI指令的功能；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处理器系统模式引进特权方式时使用用户寄存器操作；作；把一些未使用的指令空间捕获

18、为未定义指令。把一些未使用的指令空间捕获为未定义指令。2.2 ARM2.2 ARM的版本及系列的版本及系列ARM体系结构版本体系结构版本IV第25页，共99页，编辑于2022年，星期一ARM7TDMI(-S)指令系统简介ARM处理器是基于精简指令集计算机(RISC)原理设计的，指令集和相关译码机制较为简单。ARM7TDMI(-S)具有32位ARM指令集和16位Thumb指令集，ARM指令集效率高，但是代码密度低;而Thumb指令集具有较高的代码密度，却仍然保持ARM的大多数性能上的优势，它是ARM指令集的子集。所有的ARM指令都是可以有条件执行的，而Thumb指令仅有一条指令具备条件执行功能。

19、ARM程序和Thumb程序可相互调用，相互之间的状态切换开销几乎为零。第26页，共99页，编辑于2022年，星期一ARM7TDMI(-S)指令系统ARM指令集与Thumb指令集的关系Thumb指令集具有灵活、小巧的特点ARM指令集支持ARM核所有的特性，具有高效、快速的特点第27页，共99页，编辑于2022年，星期一V5版架构是在版架构是在V4版基础上增加了一些新的指令，版基础上增加了一些新的指令，ARM10和和Xscale都采用该版架构。都采用该版架构。新增命令包括：新增命令包括：带链接和交换的转移带链接和交换的转移BLX指令；指令；计数前导零计数前导零CLZ指令；指令；BRK中断指令；中断

20、指令；2.2 ARM2.2 ARM的版本及系列的版本及系列ARM体系结构版本体系结构版本V第28页，共99页，编辑于2022年，星期一增加了数字信号处理指令（增加了数字信号处理指令（V5TE版）；版）；为协处理器增加更多可选择的指令；为协处理器增加更多可选择的指令；改进了改进了ARM/Thumb状态之间的切换效率；状态之间的切换效率；E增强型增强型DSP指令集，包括全部算法操作和指令集，包括全部算法操作和16位位乘法操作；乘法操作；J支持新的支持新的JAVA，提供字节代码执行的硬件和，提供字节代码执行的硬件和优化软件加速功能。优化软件加速功能。2.2 ARM2.2 ARM的版本及系列的版本及系

21、列ARM体系结构版本体系结构版本V第29页，共99页，编辑于2022年，星期一V6版架构是版架构是2001年发布的，首先在年发布的，首先在2002年春季发布年春季发布的的ARM11处理器中使用。在降低耗电量的同时，还处理器中使用。在降低耗电量的同时，还强化了图形处理性能。通过追加有效进行多媒体处强化了图形处理性能。通过追加有效进行多媒体处理的理的SIMD（Single Instruction，Multiple Data，单指，单指令多数据）功能，将语音及图像的处理功能提高到令多数据）功能，将语音及图像的处理功能提高到原型机的原型机的4倍。倍。2.2 ARM2.2 ARM的版本及系列的版本及系列

22、ARM体系结构版本体系结构版本VI第30页，共99页，编辑于2022年，星期一此架构在此架构在V5版基础上增加了以下功能：版基础上增加了以下功能：ThumbTM：35%代码压缩；代码压缩；DSP扩充：高性能定点扩充：高性能定点DSP功能；功能；JazelleTM：Java性能优化，可提高性能优化，可提高8倍；倍；Media扩充：音扩充：音/视频性能优化，可提高视频性能优化，可提高4倍。倍。2.2 ARM2.2 ARM的版本及系列的版本及系列ARM体系结构版本体系结构版本VI第31页，共99页，编辑于2022年，星期一2.2 ARM2.2 ARM的版本及系列的版本及系列ARM体系结构版本体系结构

23、版本ARM IARM IIARM IIIARM IVARM VARM VI第32页，共99页，编辑于2022年，星期一ARM公司开发了很多系列的公司开发了很多系列的ARM处理器核，处理器核，目前最新的系列已经是目前最新的系列已经是ARM11。ARM7、ARM9、ARM9E和和ARM10为为4个通用处理个通用处理器系列。器系列。每个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应每个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。用领域的需求。2.2 ARM2.2 ARM的版本及系列的版本及系列ARM处理器系列处理器系列第33页，共99页，编辑于2022年，星期一ARM7系列系列ARM9系列系列ARM

24、9E系列系列ARM10E系列系列ARM11系列系列SecurCore系列系列Intel Xscale系列系列Intel StrongARM系列系列2.2 ARM2.2 ARM的版本及系列的版本及系列ARM处理器系列处理器系列第34页，共99页，编辑于2022年，星期一低功耗的低功耗的32bitRISC处理器，处理器，冯冯诺依曼体系结构诺依曼体系结构。极低的功。极低的功耗，适合便携式产品。耗，适合便携式产品。具有嵌入式具有嵌入式ICE-RT逻辑，调试开发方便。逻辑，调试开发方便。能提供能提供0.9MIPS的的三级流水线三级流水线结构；结构；代码密度高，兼容代码密度高，兼容16位的位的Thumb指

25、令集指令集；广泛支持操作系统，包括广泛支持操作系统，包括Windows CE、Linux、Palm OS、VxWorks等；等；指令系统与指令系统与ARM9系列、系列、ARM9E系列和系列和ARM10E系列兼容，系列兼容，便于用户的产品升级换代；便于用户的产品升级换代；主频最高可达主频最高可达130MIPS。2.2 ARM2.2 ARM的版本及系列的版本及系列ARM处理器处理器ARM7系列系列主要应用于：工业控制、主要应用于：工业控制、Internet设备、网络和调制解调器设备、设备、网络和调制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。第35页，共99页，

26、编辑于2022年，星期一包括六种类型：包括六种类型：ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM710T、ARM720T、ARM740T、ARM7EJ；ARM7TDMI是目前最广泛的是目前最广泛的32位嵌入式位嵌入式RISC处理处理器，属低端器，属低端ARM处理器核。处理器核。2.2 ARM2.2 ARM的版本及系列的版本及系列ARM处理器处理器ARM7TDMI系列系列ARM7 T D M I -SARM7TDMI的可综合的可综合（synthesizable）版本（软）版本（软核），对应用工程师来说其核），对应用工程师来说其编程模型与编程模型与ARM7TDMI一致；一致；嵌入式嵌入式Embe

27、dded-ICE，支持，支持片上断点和调试点；片上断点和调试点；支持支持64位乘法；位乘法；支持片上调试支持片上调试Debug；支持高密度支持高密度16位的压缩位的压缩Thumb指令集指令集第36页，共99页，编辑于2022年，星期一ARM7的产品线。的产品线。ARM7TDMI：同时具备四个模块，当然用户也可选择其中的几：同时具备四个模块，当然用户也可选择其中的几个或一个。个或一个。ARM7TDMI-S：软件与：软件与ARM7TDMI完全兼容，硬件预留功能完全兼容，硬件预留功能扩展口。扩展口。ARM710T：ARM7TDMI+8K Cache+MMU，Cache：片内缓存，：片内缓存，提高提高

28、CPU性能，性能，MMU：内存管理单元。：内存管理单元。ARM740T：ARM7TDMI+8K Cache+Protection Unit。ARM720T：ARM7TDMI+8K Cache+WinCE Support。2.2 ARM2.2 ARM的版本及系列的版本及系列ARM处理器处理器ARM7TDMI系列系列中国矿业大学信息与电气工程学院第37页，共99页，编辑于2022年，星期一5级流水线；级流水线；哈佛体系结构；哈佛体系结构；支持支持32位位ARM指令集和指令集和16位位Thumb指令集指令集。全性能的全性能的MMU，支持，支持Windows CE、Linux、Palm OS等多种主流

29、嵌入式操作系统；等多种主流嵌入式操作系统；支持数据支持数据Cache和指令和指令Cache，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。2.2 ARM2.2 ARM的版本及系列的版本及系列ARM处理器处理器ARM9系列系列主要应用于：无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端主要应用于：无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数码照相机和数码摄像机。打印机、数码照相机和数码摄像机。第38页，共99页，编辑于2022年，星期一支持支持DSP指令集；指令集；5级整数流水线，指令执行效率更高；级整数流水线，指令执行效率更高；支持支持32位位ARM指令集和指令集和16位位T

30、humb指令集；指令集；支持支持VFP9浮点处理协处理器；浮点处理协处理器；全性能的全性能的MMU，支持，支持Windows CE、Linux、Palm OS等等多种主流嵌入式操作系统；多种主流嵌入式操作系统；MPU支持实时操作系统；支持实时操作系统；支持数据支持数据Cache和指令和指令Cache；主频最高可达主频最高可达300MIPS。2.2 ARM2.2 ARM的版本及系列的版本及系列ARM处理器处理器ARM9E系列系列主要应用于：下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业主要应用于：下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、存储设备和网络设备等领域。控制、存储设备和网络设备等领域

31、。第39页，共99页，编辑于2022年，星期一与同等的与同等的ARM9比较，在同样的时钟频率下，性能提高了近比较，在同样的时钟频率下，性能提高了近50%，功耗极低；，功耗极低；支持支持DSP指令集；指令集；6级整数流水线，指令执行效率更高；级整数流水线，指令执行效率更高；支持支持32位位ARM指令集和指令集和16位位Thumb指令集。指令集。支持支持VFP10浮点处理协处理器。浮点处理协处理器。全性能的全性能的MMU，支持，支持Windows CE、Linux、Palm OS等等多种主流嵌入式操作系统。多种主流嵌入式操作系统。支持数据支持数据Cache和指令和指令Cache；主频最高可达主频最

32、高可达400MIPS；内嵌并行读内嵌并行读/写操作部件。写操作部件。2.2 ARM2.2 ARM的版本及系列的版本及系列ARM处理器处理器ARM10E系列系列主要应用于：下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工主要应用于：下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、通信和信息系统等领域。业控制、通信和信息系统等领域。第40页，共99页，编辑于2022年，星期一专为安全需要设计，提供了完善的专为安全需要设计，提供了完善的32位位RISC技术技术的安全解决方案；的安全解决方案；灵活的保护单元，以确保操作系统和应用数据灵活的保护单元，以确保操作系统和应用数据的安全。的安全。采用软内核技术，防止外

33、部对其进行扫描探采用软内核技术，防止外部对其进行扫描探测；测；可集成用户自己的安全特性和其他协处理器。可集成用户自己的安全特性和其他协处理器。2.2 ARM2.2 ARM的版本及系列的版本及系列ARM处理器处理器SecurCore系列系列主要应用于：对安全性要求较高的应用产品及应用系统，如主要应用于：对安全性要求较高的应用产品及应用系统，如电子商务、电子政务、电子银行业务、网络和认证系统等领电子商务、电子政务、电子银行业务、网络和认证系统等领域。域。第41页，共99页，编辑于2022年，星期一2.2 ARM2.2 ARM的版本及系列的版本及系列Intel StrongARM SA-1100系列

34、微处理器是采系列微处理器是采用用ARM体系结构高度集成的体系结构高度集成的32位位RISC微处理微处理器。器。融合融合Intel公司的设计和处理技术以及公司的设计和处理技术以及ARM体体系结构的电源效率，采用在软件上兼容系结构的电源效率，采用在软件上兼容ARM V4，同时兼具，同时兼具Intel技术优点。技术优点。ARM处理器处理器StrongARM系列系列主要应用于：便携式通信产品和消费类电子产品。主要应用于：便携式通信产品和消费类电子产品。第42页，共99页，编辑于2022年，星期一基于基于ARMv5TE体系结构的解决方案，是一款全体系结构的解决方案，是一款全性能、高性价比、低功耗的处理器

35、；性能、高性价比、低功耗的处理器；支持支持16位的位的Thumb指令和指令和DSP指令集。指令集。2.2 ARM2.2 ARM的版本及系列的版本及系列ARM处理器处理器Xscale系列系列已使用在：数字移动电话、个人数字助理和网络产品等场合。已使用在：数字移动电话、个人数字助理和网络产品等场合。第43页，共99页，编辑于2022年，星期一2.2 ARM2.2 ARM的版本及系列的版本及系列ARM系列总结系列总结第44页，共99页，编辑于2022年，星期一SA-110ARM7TDMI4T1支持Halfword 和signed halfword/byte 和System mode支持Thumb指令

36、集24ARM9TDMISA-1110ARM720TARM940T改良的ARM/Thumb 交互作用以及CLZ 指令5TESaturated mathsDSP multiply-accumulate instructionsXScaleARM1020EARM9E-SARM966E-S3早期的ARMsARM9EJ-S5TEJARM7EJ-SARM926EJ-SJazelle支持Java字节码6ARM11SIMD2.2 ARM2.2 ARM的版本及系列的版本及系列ARM版本及系列总结版本及系列总结第45页，共99页，编辑于2022年，星期一SHARP公司的公司的LH77790A芯片芯片ARM7DI

37、CPUCacheLCD控制器控制器总线控制器总线控制器PWM82C54计数器计数器/定时器定时器16C450 UART82C55可编程外围接口可编程外围接口CPU部分部分JTAG调试接口调试接口中断中断/复位复位控制部分控制部分典型应用：典型应用：液晶显示系统液晶显示系统第46页，共99页，编辑于2022年，星期一SAMSUNG公司公司KS32C6200芯片芯片ARM7TDMI内核内核Cache（2K）CPU部分部分并口接口并口接口双通道双通道DMAUART/SIO中断中断控制器控制器典型应用：典型应用：网络打印机网络打印机可编程方波可编程方波发生器发生器存储器控制器存储器控制器总线接口总线接

38、口定时器定时器看门狗定看门狗定时器时器Derasterizer/shifter显示屏显示屏第47页，共99页，编辑于2022年，星期一ATMEL公司的公司的AT91芯片芯片ARM7TDMI内核内核ICE接口接口外部总线接口外部总线接口片内存储器片内存储器典型应用：典型应用：工控系统工控系统中国矿业大学信息与电气工程学院第48页，共99页，编辑于2022年，星期一CIRRUS公司的公司的EP系列芯片系列芯片ARM720T内核内核控制电路控制电路DAI：数字音频接口：数字音频接口LCD控制器控制器存储器控制器存储器控制器DC-DC变换器（变换器（PWM）27位通用位通用I/O动态可编程时钟动态可编

39、程时钟其它控制电路其它控制电路典型应用：典型应用：音频系统音频系统中国矿业大学信息与电气工程学院第49页，共99页，编辑于2022年，星期一带带Cache的的ARM7TDMI ARM710T8K 统一的 cache 完整的内存管理单元（mmu），支持虚拟地址和存储器保护写缓冲ARM720T同ARM710T，但支持 WinCEARM740T8K 统一的 cache内存管理单元写缓冲ARM7TDMI内核地址地址数据读AMBA接口写缓冲MMU数据写数据ARM7xxT控制逻辑CacheAMBA总线接口JTAG 和非 AMBA 信号CP15第50页，共99页，编辑于2022年，星期一高速缓存（CACHE

40、）1 1、为什么采用高速缓存、为什么采用高速缓存 微处理器的时钟频率比内存速度提高快得多，高速缓存可以提高内存的平均微处理器的时钟频率比内存速度提高快得多，高速缓存可以提高内存的平均性能。性能。2 2、高速缓存的工作原理、高速缓存的工作原理 高速缓存是一种小型、快速的存储器，它保存部分主存内容的拷贝。高速缓存是一种小型、快速的存储器，它保存部分主存内容的拷贝。CPU高速缓存控制器CACHE主存数据数据地址第51页，共99页，编辑于2022年，星期一取指令取指令 3执行指令执行指令 3二级流水二级流水串行执行串行执行取指令取指令 取指令单元取指令单元 完成完成总有一个部件总有一个部件 空闲空闲指

41、令预取指令预取若若 取指取指 和和 执行执行 阶段时间上阶段时间上 完全重叠完全重叠指令周期指令周期 减半减半 速度提高速度提高 1 倍倍执行指令执行指令 执行指令单元执行指令单元 完成完成取指令取指令 1执行执行指令指令 1取取指令指令 2执行执行指令指令 2取取指令指令 3执行指令执行指令 3取指令取指令 2执行指令执行指令 2取指令取指令 1执行指令执行指令 12.3.3 2.3.3 流水线技术流水线技术第52页，共99页，编辑于2022年，星期一2.3.3 2.3.3 流水线技术流水线技术流水线流水线(Pipeline)(Pipeline)技术：几个指令可以并行执行技术：几个指令可以并

42、行执行 提高了提高了CPUCPU的运行效率的运行效率 内部信息流要求通畅流动内部信息流要求通畅流动译码译码取指取指执行执行add译码译码取指取指执行执行sub译码译码取指取指执行执行mov时间时间AddSubmov流水线流水线(pipeline)是是 Intel首次在首次在486芯片中开始使用的。芯片中开始使用的。流水线的工作方式就象工业生产上的装配流水线。流水线的工作方式就象工业生产上的装配流水线。第53页，共99页，编辑于2022年，星期一指令流水线指令流水线为增加处理器指令流的速度，为增加处理器指令流的速度，ARM7 系列使用系列使用3级流级流水线水线.允许多个操作同时处理，比逐条指令执

43、行要快。允许多个操作同时处理，比逐条指令执行要快。PC指向正被取指的指令，而非正在执行的指令指向正被取指的指令，而非正在执行的指令FetchDecodeExecute从存储器中读取指令解码指令寄存器读（从寄存器Bank）移位及ALU操作寄存器写（到寄存器Bank）PCPCPC-4PC-2PC-8PC-4ARMThumb第54页，共99页，编辑于2022年，星期一 最佳流水线该例中用6个时钟周期执行了6条指令所有的操作都在寄存器中（单周期执行）指令周期数(CPI)=1 操作操作周期周期 1 2 3 45 6 ADD SUB MOV AND ORR EOR CMP RSBFetchDecodeEx

44、ecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteDecodeExecuteFetchDecodeFetchFetch第55页，共99页，编辑于2022年，星期一 LDR 流水线举例该例中，用6周期执行了4条指令指令周期数(CPI)=1.5 周期周期 操作操作123456 ADD SUB LDR MOV AND ORRFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteDataWritebackFetchDecodeExecuteFet

45、chDecodeFetch第56页，共99页，编辑于2022年，星期一缩短程序执行时间缩短程序执行时间2.3.3 2.3.3 流水线技术流水线技术ARM的流水线设计问题的流水线设计问题：执行一段程序所需时间；：执行一段程序所需时间；：执行该段程序的指令条数；：执行该段程序的指令条数；：执行每条指令的平均时钟周期数；：执行每条指令的平均时钟周期数；：处理器的时钟频率。：处理器的时钟频率。降低降低CPI提供时钟频率提供时钟频率第57页，共99页，编辑于2022年，星期一解决流水线的相关问题解决流水线的相关问题2.3.3 2.3.3 流水线技术流水线技术ARM的流水线设计问题的流水线设计问题1）流水

46、线结构相关问题：）流水线结构相关问题：资源冲突导致资源冲突导致对数据通路访问的冲突对数据通路访问的冲突对寄存器访问的冲突对寄存器访问的冲突措施：措施：分离式指令分离式指令Cache和数据和数据CacheALU中采用独立的加法器完成地址计算中采用独立的加法器完成地址计算第58页，共99页，编辑于2022年，星期一解决流水线的相关问题解决流水线的相关问题2.3.3 2.3.3 流水线技术流水线技术ARM的流水线设计问题的流水线设计问题2）流水线数据相关问题：）流水线数据相关问题：当前指令需要之前指令执行的结果，当前指令需要之前指令执行的结果，而之前指令均在流水线中重叠执行。而之前指令均在流水线中重

47、叠执行。写后读写后读写后写写后写读后写读后写措施：措施：定向技术：定向技术：将之前指令运算结果直接传递给后面需要的指令，不将之前指令运算结果直接传递给后面需要的指令，不必写入寄存器。必写入寄存器。流水线互锁技术：流水线互锁技术：通过编译器及汇编程序员修改来减少管道互锁的数通过编译器及汇编程序员修改来减少管道互锁的数量。量。第59页，共99页，编辑于2022年，星期一解决流水线的相关问题解决流水线的相关问题2.3.3 2.3.3 流水线技术流水线技术ARM的流水线设计问题的流水线设计问题3）流水线控制相关问题：）流水线控制相关问题：流水线遇到分支指令和其他会流水线遇到分支指令和其他会改变改变PC

48、值的指令值的指令 暂停分支指令之后的所有指令，直到分支指令确定了新的暂停分支指令之后的所有指令，直到分支指令确定了新的PC值为值为止。止。措施：措施：引入延时分支：引入延时分支：直接跟在分支指令后面的指令被执行，保证流水线直接跟在分支指令后面的指令被执行，保证流水线处于满的状态。处于满的状态。尽早计算分支转移成功时的尽早计算分支转移成功时的PC值：值：通过采用一个专用加法器计算分通过采用一个专用加法器计算分支的目标地址。支的目标地址。引入控制阻滞延时引入控制阻滞延时 （分支（分支损失）损失）第60页，共99页，编辑于2022年，星期一InstructionFetch Shift+ALUMemo

49、ryAccessRegWriteRegReadRegDecodeFETCHDECODEEXECUTEMEMORYWRITEARM9TDMIARM or ThumbInst DecodeReg SelectRegReadShiftALURegWriteThumbARMdecompressARM decodeInstructionFetchFETCHDECODEEXECUTEARM7TDMI三级流水线三级流水线五级流水线五级流水线2.3.3 2.3.3 指令流水线指令流水线第61页，共99页，编辑于2022年，星期一指令指令取指取指 移位移位+ALU寄存器寄存器写写寄存器寄存器读读寄存器寄存器译码

50、译码FETCHDECODEEXECUTEMEMORYWRITEARM9TDMIARM 或或 Thumb指令解码指令解码ARM10指令地址 生成移位移位+ALU数据数据 Cache 接口接口寄存寄存器器写写FETCHDECODEEXECUTEMEMORYWRITE寄存器寄存器读读+结果结果 前向迁移前向迁移+记分板记分板乘法乘法乘乘 加加协处理器协处理器 数数据接口据接口分支预测指令取指ISSUE寄存器寄存器访问访问数据数据+分支地址分支地址生成生成ARM 或或 Thumb指令解码指令解码协处理器协处理器 指令指令发出发出五级流水线五级流水线2.3.3 2.3.3 指令流水线指令流水线六级流水线