《嵌入式系统及其应用课件》第二章嵌入式微处理器的体系结构.ppt

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1、嵌入式系统与应用嵌入式系统与应用第二章第二章第二章第二章 嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院嵌入式系统及其应用课件第二章嵌入式微处理器的体系结构 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望嵌入式系统与应用嵌入式系统与应用第二章

2、第二章第二章第二章 嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院主要内容：主要内容：n一、一、ARM处理器概述处理器概述n二、二、ARM内核结构内核结构n三、三、ARM中断与异常中断与异常n四、四、ARM寄存器组织寄存器组织n五、五、ARM的协处理器接口的协处理器接口n六、六、ARM的存储系统的存储系统n七、七、S3C2440微处理器微处理器嵌入式系统与应用嵌入式系统与

3、应用第二章第二章第二章第二章 嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院一一、ARM处理器概述处理器概述ARM（AdvancedRISCMachines）是一家专门是一家专门从事基于从事基于RISC技术的芯片设计开技术的芯片设计开发的公司，发的公司，但公司并不直接从事芯片生产，而是靠转让设但公司并不直接从事芯片生产，而是靠转让设计许可获得收益。计许可获得收益。ARM微

4、微处处理理器器内内核核产产品品是是一一个个庞庞大大产产品品系系列列，采采用用ARM微微处处理理器器内内核核的的微微处处理理器器芯芯片片遍遍及及工工业业控控制制消消费费类类电电子子产产品品、通通信信系系统统、网网络络系系统统、无无线线传传输输等等各各类类产产品品市市场场，约约占占据据了了32位位RISC微处理器微处理器75%以上的市场份额。以上的市场份额。嵌入式系统与应用嵌入式系统与应用第二章第二章第二章第二章 嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY长安大学电子与控制

5、工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院1.ARM处理器体系结构版本从指令集体系结构版本来看，为了清楚从指令集体系结构版本来看，为了清楚地表达每个地表达每个ARM内核应用实例所使用的内核应用实例所使用的指指令集，令集，ARM公司定义了公司定义了7种主要的种主要的ARM指指令集体系结构版本，以版本号令集体系结构版本，以版本号V1V7表示，表示，其中其中V1、V2、V3版本已经不再使用或未版本已经不再使用或未实现商业化。实现商业化。嵌入式系统与应用嵌入式系统与应用第二章第二章第二章第二章 嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的

6、体系结构嵌入式微处理器的体系结构CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院（1）V3版架构（目前已废弃）对原来的ARM体系结构作了较大的改动：n n寻址空间增至寻址空间增至3232位（位（4GB4GB）；）；n n当前当前程序状态程序状态信息从原来的信息从原来的R15R15寄存器移到当前程序状寄存器移到当前程序状态寄存器态寄存器CPSRCPSR中（中（CurrentProgramStatusRegisterCurrentProgramStatusRegister

7、）n n增加了程序状态保存寄存器增加了程序状态保存寄存器SPSRSPSR（SavedProgramSavedProgramStatusRegisterStatusRegister）；）；n n增加了两种增加了两种异常模式异常模式，使操作系统代码可方便地使用，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数据访问中止异常、指令预取中止异常和未定义指令异常；异常；n n增加了增加了MRS/MSRMRS/MSR指令，以访问新增的指令，以访问新增的CPSR/SPSRCPSR/SPSR寄存寄存器；器；n n增加了从增加了从异常处理异常处理返回的指令功能。返回的指令功能。嵌入式系

8、统与应用嵌入式系统与应用第二章第二章第二章第二章 嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院（2）V4版架构是目前应用最广的ARM体系结构，不再强制要求与26位地址址空间兼容，而且还明确了哪些指令会引起未定义指令异常指令集中增加了以下功能：n n符号化符号化和非符号化半字及符号化字节的存和非符号化半字及符号化字节的存/取指令；取指令；n n增加了增加了T T变种，处理

9、器可工作在变种，处理器可工作在ThumbThumb状态，增加状态，增加了了1616位位ThumbThumb指令集；指令集；n n完善了软件中断完善了软件中断SWISWI指令的功能；指令的功能；n n处理器系统模式引进特权方式时使用用户寄存器处理器系统模式引进特权方式时使用用户寄存器操作；操作；n n把一些未使用的指令空间捕获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。嵌入式系统与应用嵌入式系统与应用第二章第二章第二章第二章 嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSI

10、TY长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院（3）V5版架构是在V4版的基础上增加了一些新的指令：n n带有链接和交换的转移带有链接和交换的转移BLXBLX指令；指令；n n计数前导零计数前导零CLZCLZ指令；指令；n nBRKBRK中断指令；中断指令；n n增加了增加了数字信号处理数字信号处理指令（指令（V5TEV5TE版）；版）；n n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；n n改进了改进了ARM/ThumbARM/Thumb状态之间的切换效率；状态之间的切换效率；n n增加了两个增加了两个E E和

11、和J J两个变种，其中两个变种，其中E E表示增强型表示增强型DSPDSP指令集，包括全部算法操作和指令集，包括全部算法操作和1616位乘法操作，位乘法操作，J J表表示支持新的示支持新的JAVAJAVA，提供字节代码执行的硬件和优，提供字节代码执行的硬件和优化软件加速功能。化软件加速功能。嵌入式系统与应用嵌入式系统与应用第二章第二章第二章第二章 嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安

12、大学电子与控制工程学院（4）V6版架构在V5版的基础上强化了图形处理性能，增加了一些新的功能：n n单指令多数据功能单指令多数据功能(SingleInstruction,Multiple(SingleInstruction,MultipleDataData，SIMD)SIMD)，将语音及图像的处理功能提高到，将语音及图像的处理功能提高到了原型机的了原型机的4 4倍；倍；n nThumbThumb增强功能，使得增强功能，使得35%35%代码压缩；高性能定代码压缩；高性能定点点DSPDSP功能；功能；n nJazelleTMJazelleTM功能，功能，JavaJava性能优化，速度可提高性能优化

13、，速度可提高8 8倍。倍。嵌入式系统与应用嵌入式系统与应用第二章第二章第二章第二章 嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院（5）v7构架是在V6版的基础上发展的，是目前ARM处理器体系结构的最高版本，并保持了对现存ARM解决方案的完整的代码兼容性。n n采用了新型采用了新型1313级流水线，指令的吞吐率更高；级流水线，指令的吞吐率更高；n n增加了硬件处理中断嵌套

14、功能，具有更好的实时性；增加了硬件处理中断嵌套功能，具有更好的实时性；n n采用了采用了Thumb-2Thumb-2技术，比纯技术，比纯3232位代码少使用位代码少使用31%31%的内存；的内存；n n采用了采用了NEONNEON（可执行打包的（可执行打包的SIMDSIMD处理）技术，将处理）技术，将DSPDSP和和媒体处理能力提高了进媒体处理能力提高了进4 4倍，可加速多媒体和信号处理算倍，可加速多媒体和信号处理算法（如视频编码法（如视频编码/解码、解码、2D/3D2D/3D图形、游戏、音频和语音图形、游戏、音频和语音处理、图像处理技术、电话和声音合成），其性能至少为处理、图像处理技术、电话

15、和声音合成），其性能至少为 ARMv6ARMv6SIMDSIMD性能的性能的2 2倍；倍；n n增加了支持改良的浮点运算，满足下一代增加了支持改良的浮点运算，满足下一代3D3D图形、游戏以、图形、游戏以、信号分析及传统嵌入式控制需求。信号分析及传统嵌入式控制需求。嵌入式系统与应用嵌入式系统与应用第二章第二章第二章第二章 嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院2.A

16、RM处理器家族nARM7FamilyUnifiedUnifiedCacheCache内存管理内存管理内存管理内存管理流水线级流水线级流水线级流水线级别别别别ThumThumb bDSDSP PJazelJazelleleARM7TDMIARM7TDMI无无无无无无无无3 3有有有有无无无无无无无无ARM7TDMI-SARM7TDMI-S无无无无无无无无3 3有有有有无无无无无无无无ARM710T/72ARM710T/720T0T8k8kMMUMMU3 3有有有有无无无无无无无无ARM740TARM740T8k8k或或或或4k4kProtectiProtectionUnitonUnit3 3有有

17、有有无无无无无无无无ARM7EJ-SARM7EJ-S无无无无无无无无3 3有有有有有有有有有有有有嵌入式系统与应用嵌入式系统与应用第二章第二章第二章第二章 嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院ARM9FamilyCacheCache内存管理内存管理内存管理内存管理流水线流水线流水线流水线级别级别级别级别ThumThumb bDSPDSPJazelleJazell

18、eARM9ARM9无无无无无无无无5 5有有有有无无无无无无无无ARM920TARM920T16K/1616K/16k kMMUMMU5 5有有有有无无无无无无无无ARM922TARM922T8k/8k8k/8kMMUMMU5 5有有有有无无无无无无无无ARM940TARM940T4k/4k4k/4kProtectioProtectionUnitnUnit5 5有有有有无无无无无无无无嵌入式系统与应用嵌入式系统与应用第二章第二章第二章第二章 嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNI

19、VERSITY长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院ARM10FamilyCacheCache内存管内存管内存管内存管理理理理流水线流水线流水线流水线级别级别级别级别ThumbThumbDSPDSPJazelleJazelleARM10EARM10E无无无无无无无无6 6有有有有有有有有无无无无ARM1020EARM1020E32k/32k32k/32kMMUMMU6 6有有有有有有有有无无无无ARM1022EARM1022E16k/16k16k/16kMMUMMU6 6有有有有有有有有无无无无ARM10EJ-SARM10EJ-

20、S无无无无无无无无6 6有有有有有有有有有有有有ARM1026EJ-ARM1026EJ-S S0,4-0,4-128k/0,4128k/0,4-128k-128kMMUMMU6 6有有有有有有有有有有有有ARM10TDMIARM10TDMI无无无无无无无无6 6有有有有无无无无无无无无ARM1020TARM1020T32k/32k32k/32kMMUMMU6 6有有有有无无无无无无无无嵌入式系统与应用嵌入式系统与应用第二章第二章第二章第二章 嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNI

21、VERSITY长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院ARM11FamilyCacheCache内存内存内存内存管理管理管理管理流水线流水线流水线流水线级别级别级别级别ThumbThumbDSDSP PJazelJazellele浮点浮点浮点浮点运算运算运算运算ARM1136J-SARM1136J-S4-64k4-64kMMMMU U8 8有有有有有有有有有有有有无无无无ARM1136JF-ARM1136JF-S S4-64k4-64kMMMMU U8 8有有有有有有有有有有有有有有有有ARM1156T2-ARM1156T2-S

22、S可配置可配置可配置可配置9 9Thumb-Thumb-2 2有有有有无无无无无无无无ARM1156T2ARM1156T2F-SF-S可配置可配置可配置可配置9 9Thumb-Thumb-2 2有有有有无无无无有有有有嵌入式系统与应用嵌入式系统与应用第二章第二章第二章第二章 嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院3.ARM产品命名规则可综合版本S支持向量浮点运算F

23、支持Jazelle加速J基于TDMI增强型，支持DSP指令E支持Embedded ICE，支持嵌入式跟踪调试I支持快速乘法器M支持片上调试D支持Thumb指令集TcacheZ存储管理/保护单元Y处理器系列，如ARM7/ARM9/ARM11等X含义后缀变量嵌入式系统与应用嵌入式系统与应用第二章第二章第二章第二章 嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院此外还必须注意：

24、此外还必须注意：n nARM7TDMIARM7TDMI之后的所有之后的所有ARMARM内核，即使内核，即使“ARM”“ARM”标志后没有包含标志后没有包含那些字符，但也包含了那些字符，但也包含了TDMITDMI的特性；处理器系列是共享相同硬的特性；处理器系列是共享相同硬件特性的一组处理器的具体实现。件特性的一组处理器的具体实现。n n例如，例如，ARM7TDMIARM7TDMI：n nARM740TARM740T和和ARM720TARM720T都共享相同的系列特性，都属于都共享相同的系列特性，都属于ARM7ARM7系列；系列；n nJTAGJTAG是由是由IEEE1149IEEE1149。1

25、1标准测试访问端口（标准测试访问端口（standardteststandardtestaccessport)accessport)和边界扫描来描述的。它是和边界扫描来描述的。它是ARMARM用来发送和接受处用来发送和接受处理器内核与测试一起之间调试信息的一系列协议；嵌入式理器内核与测试一起之间调试信息的一系列协议；嵌入式ICEICE宏宏单元（单元（EmbeddedICEmacrocell)EmbeddedICEmacrocell)是建立在处理器内部、用来设是建立在处理器内部、用来设置断点和观察点的调试硬件。置断点和观察点的调试硬件。n n可综合版本，意味着处理器内核是以源代码形式提供的。这种源

26、可综合版本，意味着处理器内核是以源代码形式提供的。这种源代码形式又可以被编译成一种易于代码形式又可以被编译成一种易于EDAEDA工具使用的形式。工具使用的形式。嵌入式系统与应用嵌入式系统与应用第二章第二章第二章第二章 嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院家族架构內核主要特点ARM7ARMv4TARM7TDMI(-S)基本内核/无cache/无MMU，3级流水AR

27、M710TARM7TDMI+8KB/8KB+MMUARM720TARM710T的超集ARM740TARM7TDMI+8KB/8KB+MPUARMv5TEJARM7EJ-SARM7TDMI+DSP+Jazelle+可综合ARM9ARMv4TARM9TDMI基本内核/无cache/无MMU，5级流水ARM920TARM9TDMI+16KB/16KB+MMUARM922TARM9TDMI+8KB/8KB+MMUARM940TARM9TDMI+4KB/4KB+MPUARM9EARMv5TEARM946E-SARM9E+可变+MPU+可综合ARM966E-SARM9E+无cache+TCMs+可综合AR

28、M968E-SARM9E+无cache+TCMs+可综合ARMv5TEJARM926EJ-SARM9E+无cache+MMU+Jazelle+可综合ARMv5TEARM996HSARM966E(无振荡器)ARM主要产品家族、架构、内核及主要特点关系嵌入式系统与应用嵌入式系统与应用第二章第二章第二章第二章 嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院ARM10EARMv5

29、TEARM1020EARM10E+32KB/32KB+MMU+(VFP)ARM1022EARM10E+16KB/16KB+MMU+(VFP)ARMv5TEJARM1026EJ-SARM10E+可变+MMU+(VFP)+Jazelle+可综合ARM11ARMv6ARM1136J(F)-SARM11+可变+MMU+JazelleDBX+(VFP)ARMv6T2ARM1156T2(F)-SARM11+可变+MMU+JazelleDBX+(VFP)ARMv6KZARM1176JZ(F)-SARM11+可变+MMU+JazelleDBX+(VFP)+TrustZoneARMv6KARM11 MPCore

30、ARM11+可变+MMU+JazelleDBX+(VFP)+对称多核处理器CortexARMv7-ACortex-A8可变动+MMU+VFP+NEON+Jazelle RCT+Thumb-2+TrustZoneARMv7-RCortex-R4(F)可变动+（MMU）+(FPU)+Embedded profileARMv7-MCortex-M3基本核心+无cache+MPUARMv7-MECortex-M4Optional 8 region MPU with sub regions and background region嵌入式系统与应用嵌入式系统与应用第二章第二章第二章第二章 嵌入式微处理器

31、的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院二、二、ARM内核结构内核结构T功能模块功能模块(16Thumb):可以在可以在兼顾性能的同时减少代码尺寸。兼顾性能的同时减少代码尺寸。M功能模块功能模块:(增强型乘法器增强型乘法器)可生可生成全成全64位的结果。位的结果。D功能模块功能模块(Debug):该内核中放该内核中放置了用于调试的结构。置了用于调试的结构。I功能模块功能模块(Em

32、beddedICELogic):用于实现断点观测及变量用于实现断点观测及变量观测的逻辑电路部分观测的逻辑电路部分ARM内核内核TMDI嵌入式系统与应用嵌入式系统与应用第二章第二章第二章第二章 嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院ARM9ARM9内核模块示意图内核模块示意图嵌入式系统与应用嵌入式系统与应用第二章第二章第二章第二章 嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处

33、理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院ARM内核采用了内核采用了RISC型处理器结构，具有低功耗、型处理器结构，具有低功耗、成本低、功能强等突出优势，在嵌入式系统及应用成本低、功能强等突出优势，在嵌入式系统及应用领域具有重要的影响，其主要特点包括：领域具有重要的影响，其主要特点包括：n采用了采用了RISC型处理器结构；型处理器结构；n低功耗、成本低、功能强；低功耗、成本低、功能强；n采用采用ARM

34、/Thumb（32位位/16位）双指令集；位）双指令集；n具有多处理器状态模式；具有多处理器状态模式；n具有在线仿真调试功能；具有在线仿真调试功能；n具有协处理器接口；具有协处理器接口；n具有优化设计的片上总线具有优化设计的片上总线AMBA(AHB/ASB/APB)；n具有灵活方便的接口。具有灵活方便的接口。嵌入式系统与应用嵌入式系统与应用第二章第二章第二章第二章 嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子

35、与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院1.ARM7TDMI主处理器逻辑结构嵌入式系统与应用嵌入式系统与应用第二章第二章第二章第二章 嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院三级指令流水线是三级指令流水线是ARM7TDMI的主要特征之一，三级指令流的主要特征之一，三级指令流水线指令的执行分为取指、译码和执行三个阶段，各阶段所水线指令的执行分为取指、译码和执行三个阶段

36、，各阶段所完成的操作详细分解表如下：完成的操作详细分解表如下：嵌入式系统与应用嵌入式系统与应用第二章第二章第二章第二章 嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院ARM7TDMI单周期指令最佳流水线MOV、ADD、SUB指令为单周期指令。从指令为单周期指令。从T1开始，用开始，用3个时个时钟周期执行了钟周期执行了3条指令，指令平均周期数等于条指令，指令平均周期数等于1

37、个时钟周期。个时钟周期。嵌入式系统与应用嵌入式系统与应用第二章第二章第二章第二章 嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院2.ARM9TDMI主处理器通用内核结构嵌入式系统与应用嵌入式系统与应用第二章第二章第二章第二章 嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN

38、UNIVERSITY长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院3.ARM920T内核结构嵌入式系统与应用嵌入式系统与应用第二章第二章第二章第二章 嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院4.ARM启动方式nARM内核真正支持的启动方式只有一个：内核真正支持的启动方式只有一个：通过操作通过操作CP15来实现

39、对来实现对resetvector的重的重定向定向nmemoryremap：这一机制并非：这一机制并非ARM内核内核本身所支持的，而是在本身所支持的，而是在SoC的时候人为修改的时候人为修改memory的访问逻辑而实现的的访问逻辑而实现的嵌入式系统与应用嵌入式系统与应用第二章第二章第二章第二章 嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院5.ARM处理器运行模式处理器模式

40、处理器模式说明说明备注备注 用户用户 (usr)正常程序执行模式正常程序执行模式不能直接切换到其它模式不能直接切换到其它模式 系统系统系统系统 (sys)(sys)运行操作系统的特权任务运行操作系统的特权任务运行操作系统的特权任务运行操作系统的特权任务与用户模式类似，但具有可以直与用户模式类似，但具有可以直与用户模式类似，但具有可以直与用户模式类似，但具有可以直接切换到其它模式等特权接切换到其它模式等特权接切换到其它模式等特权接切换到其它模式等特权 快中断快中断 (fiq)支持高速数据传输及通道支持高速数据传输及通道处理处理FIQ异常响应时进入此模式异常响应时进入此模式 中断中断 (irq)用

41、于通用中断处理用于通用中断处理IRQ异常响应时进入此模式异常响应时进入此模式 管理管理 (svc)操作系统保护模式操作系统保护模式系统复位和软件中断响应时进入系统复位和软件中断响应时进入此模式此模式 中止中止 (abt)用于支持虚拟内存和用于支持虚拟内存和/或存或存储器保护储器保护在在ARM7TDMI没有大用处没有大用处 未定义未定义 (und)支持硬件协处理器的软件支持硬件协处理器的软件仿真仿真未定义指令异常响应时进入此模未定义指令异常响应时进入此模式式嵌入式系统与应用嵌入式系统与应用第二章第二章第二章第二章 嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处

42、理器的体系结构CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院、ARM微处理器的运行模式可以通过软件改微处理器的运行模式可以通过软件改变，也可以通过外部中断或异常处理改变。变，也可以通过外部中断或异常处理改变。、大多数的应用程序运行在用户模式下，当、大多数的应用程序运行在用户模式下，当处理器运行在用户模式下时，某些被保护的系统资处理器运行在用户模式下时，某些被保护的系统资源是不能被访问的。源是不能被访问的。、除用户模式以外，其余的所有、除用户模式以外，其余的所有6种模

43、式称种模式称为非用户模式或特权模式为非用户模式或特权模式(PrivilegedModes)；、其中除去用户模式和系统模式以外的、其中除去用户模式和系统模式以外的5种种又称为异常模式又称为异常模式(ExceptionModes)，常用于处理，常用于处理中断或异常中断或异常,以及需要访问受保护的系统资源等情况。以及需要访问受保护的系统资源等情况。ARM微处理器运行模式要注意的问题微处理器运行模式要注意的问题嵌入式系统与应用嵌入式系统与应用第二章第二章第二章第二章 嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构CHANGAN UNIVERSITYCH

44、ANGAN UNIVERSITY长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院n nARMARM体系中有以下体系中有以下3 3种方式控制程序的执行流程。种方式控制程序的执行流程。n n1.1.顺序执行：每执行一条顺序执行：每执行一条ARMARM指令，程序计数器指令，程序计数器寄存器的值加寄存器的值加4 4个字节；每执行一条个字节；每执行一条ThumbThumb指令，指令，程序计数器寄存器的值加两个字节。程序计数器寄存器的值加两个字节。n n2.2.跳转：通过跳转指令，程序可以跳转到特定的跳转：通过跳转指令，程序可以跳转到特定的地址标号处

45、执行，或者跳转到特定的子程序处执地址标号处执行，或者跳转到特定的子程序处执行。行。n n3.3.异常：当异常或中断发生时，系统执行完当前异常：当异常或中断发生时，系统执行完当前指令后，将跳转到相应的异常处理程序处执行。指令后，将跳转到相应的异常处理程序处执行。异常是指处理器正常的程序执行流程发生暂时的异常是指处理器正常的程序执行流程发生暂时的停止。停止。三、三、ARM中断与异常中断与异常嵌入式系统与应用嵌入式系统与应用第二章第二章第二章第二章 嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UN

46、IVERSITY长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院1.ARM中断与异常类型异常类型异常类型复位复位(reset)(reset)当处理器的复位引脚有效时，系统产生复位异常，程序跳转到复位异当处理器的复位引脚有效时，系统产生复位异常，程序跳转到复位异常处理程序执行。复位异常中断通常用在下面几种情况下：系统上电、常处理程序执行。复位异常中断通常用在下面几种情况下：系统上电、系统复位、软复位。系统复位、软复位。未定义指令未定义指令(undefined(undefined instruction)instruction)当当ARMAR

47、M处理器或协处理器遇到不能处理的指令时，产生未定义指令异处理器或协处理器遇到不能处理的指令时，产生未定义指令异常，可使用异常机制进行软件仿真常，可使用异常机制进行软件仿真软件中断软件中断(software(software interrupt)interrupt)该异常由执行该异常由执行SWISWI指令产生，可用于用户模式下的程序调用特权操作指令产生，可用于用户模式下的程序调用特权操作指令，可使用该异常机制实现系统功能调用。指令，可使用该异常机制实现系统功能调用。指令预取中止指令预取中止(prefech abort)(prefech abort)若处理器预取指令的地址不存在，或该地址不允许当前

48、指令访问，存若处理器预取指令的地址不存在，或该地址不允许当前指令访问，存储器会向处理器发出终止信号，但当预取的指令被执行时，才会产生储器会向处理器发出终止信号，但当预取的指令被执行时，才会产生指令预取中止异常。指令预取中止异常。数据中止（数据中止（data data abortabort）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，产生数据中止异常。时，产生数据中止异常。外部中断请求（外部中断请求（irqirq）当处理器的外部中断请求引脚有效，且当处理器的外部中断请求引脚有效，且CPSRCPSR中的中的1 1位为位

49、为0 0时，产生时，产生IRQIRQ异常，系统的外设可通过该异常请求中断服务。异常，系统的外设可通过该异常请求中断服务。快速中断请求（快速中断请求（fiqfiq）当处理器的快速中断请求引脚有效，且当处理器的快速中断请求引脚有效，且CPSRCPSR中的中的F F位为位为0 0时，产生时，产生FIQFIQ异异常。常。嵌入式系统与应用嵌入式系统与应用第二章第二章第二章第二章 嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY长安大学电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院长安大学

50、电子与控制工程学院长安大学电子与控制工程学院当一个异常出现以后，当一个异常出现以后，ARM微处理器会执行以下几步操作：微处理器会执行以下几步操作：n（1）保存处理器当前状态、中断屏蔽位以及各条件标志位。将下一条指令的地址存入相应连接寄存器，以便程序在处理异常返回时能从正确的位置重新开始执行。n（2）根据异常类型，设置CPSR中相应的位包括设置CPSR中的位，使处理器进入相应的执行模式；设置CPSR中的位，禁止IRQ中断，当进入FIQ模式时，禁止FIQ中断。n（3）将程序计数器设置为该异常中断的中断向量地址，之后跳转到相应的异常中断处理程序处执行。n（4）还可以设置中断禁止位，以禁止中断发生。如