淺談ARM處理器的特點(diǎn)和體系結(jié)構(gòu)

這里概述的都是一些傳統(tǒng)意義上ARM處理器的一些方面，提醒自己看了之后會(huì)想起相關(guān)知識(shí)，或是對(duì)ARM有一個(gè)總體上的概念，其實(shí)都是些簡(jiǎn)述性的總結(jié)，很多都來自網(wǎng)上資料或教學(xué)課件，貼在這里，方便以后隨時(shí)隨地的復(fù)習(xí)！

ARM微處理器包括ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、SecurCore、以及Intel的StrongARM、XScale和其它廠商基于ARM體系結(jié)構(gòu)的處理器，除了具有ARM體系結(jié)構(gòu)的共同特點(diǎn)以外，每一個(gè)系列的ARM微處理器都有各自的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。

一、總的來說ARM處理器的一些特點(diǎn)：

1、采用RISC架構(gòu)的ARM微處理器一般具有如下特點(diǎn)：

支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集，能很好的兼容8位/16位器件。Thumb指令集比通常的8位和16位CISC/RISC處理器具有更好的代碼密度；

●????????指令執(zhí)行采用3級(jí)流水線/5級(jí)流水線技術(shù)；

●????????帶有指令Cache和數(shù)據(jù)Cache，大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快。大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成。尋址方式靈活簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高。指令長(zhǎng)度固定（在ARM狀態(tài)下是32位，在Thumb狀態(tài)下是16位）；

●????????支持大端格式和小端格式兩種方法存儲(chǔ)字?jǐn)?shù)據(jù)；

●????????支持Byte（字節(jié)，8位）、Halfword（半字，16位）和Word（字，32位）三種數(shù)據(jù)類型。

●????????支持用戶、快中斷、中斷、管理、中止、系統(tǒng)和未定義等7種處理器模式，除了用戶模式外，其余的均為特權(quán)模式；

●????????處理器芯片上都嵌入了在線仿真ICE-RT邏輯，便于通過JTAG來仿真調(diào)試ARM體系結(jié)構(gòu)芯片，可以避免使用昂貴的在線仿真器。另外，在處理器核中還可以嵌入跟蹤宏單元ETM，用于監(jiān)控內(nèi)部總線，實(shí)時(shí)跟蹤指令和數(shù)據(jù)的執(zhí)行；

●????????具有片上總線AMBA（Advanced Micro-controller Bus Architecture）。?AMBA定義了3組總線：先進(jìn)高性能總線AHB（Advanced High performance Bus）；先進(jìn)系統(tǒng)總線ASB（Advanced System Bus）；先進(jìn)外圍總線APB（Advanced Peripheral Bus）。通過AMBA可以方便地?cái)U(kuò)充各種處理器及I/O，可以把DSP、其他處理器和I/O（如UART、定時(shí)器和接口等）都集成在一塊芯片中；

●????????采用存儲(chǔ)器映像I/O的方式，即把I/O端口地址作為特殊的存儲(chǔ)器地址；

●????????具有協(xié)處理器接口。ARM允許接16個(gè)協(xié)處理器，如CP15用于系統(tǒng)控制，CP14用于調(diào)試控制器；

●????????采用了降低電源電壓，可工作在3.0V以下；減少門的翻轉(zhuǎn)次數(shù)，當(dāng)某個(gè)功能電路不需要時(shí)禁止門翻轉(zhuǎn)；減少門的數(shù)目，即降低芯片的集成度；降低時(shí)鐘頻率等一些措施降低功耗；

●????????體積小、低成本、高性能。

2、一個(gè)典型的ARM體系結(jié)構(gòu)：

包含有32位ALU、31個(gè)32位通用寄存器及6位狀態(tài)寄存器、32×8位乘法器、32×32位桶形移位寄存器、指令譯碼及控制邏輯、指令流水線和數(shù)據(jù)／地址寄存器等。

1）．ALU

ARM體系結(jié)構(gòu)的ALU與常用的ALU邏輯結(jié)構(gòu)基本相同，由兩個(gè)操作數(shù)鎖存器、加法器、邏輯功能、結(jié)果及零檢測(cè)邏輯構(gòu)成。ALU的最小數(shù)據(jù)通路周期包含寄存器讀時(shí)間、移位器延遲、ALU延遲、寄存器寫建立時(shí)間、雙相時(shí)鐘間非重疊時(shí)間等幾部分。

2）．桶形移位寄存器

ARM采用了32×32位桶形移位寄存器，左移／右移n位、環(huán)移n位和算術(shù)右移n位等都可以一次完成，可以有效的減少移位的延遲時(shí)間。在桶形移位寄存器中，所有的輸入端通過交叉開關(guān)（Crossbar）與所有的輸出端相連。交叉開關(guān)采用NMOS晶體管來實(shí)現(xiàn)。

3）．高速乘法器

ARM為了提高運(yùn)算速度，采用兩位乘法的方法，2位乘法可根據(jù)乘數(shù)的2位來實(shí)現(xiàn)“加－移位”運(yùn)算。ARM的高速乘法器采用32×8位的結(jié)構(gòu)，完成32×2位乘法也只需5個(gè)時(shí)鐘周期。

4）．浮點(diǎn)部件

在ARM體系結(jié)構(gòu)中，浮點(diǎn)部件作為選件可根據(jù)需要選用，F(xiàn)PA10浮點(diǎn)加速器以協(xié)處理器方式與ARM相連，并通過協(xié)處理器指令的解釋來執(zhí)行。

浮點(diǎn)的Load/Store指令使用頻度要達(dá)到67％，故FPA10內(nèi)部也采用Load/Store結(jié)構(gòu)，有8個(gè)80位浮點(diǎn)寄存器組，指令執(zhí)行也采用流水線結(jié)構(gòu)。

5）．控制器

ARM的控制器采用硬接線的可編程邏輯陣列PLA，其輸入端有14根、輸出端有40根，分散控制Load/Store多路、乘法器、協(xié)處理器以及地址、寄存器ALU和移位器。

6）．寄存器

ARM內(nèi)含37個(gè)寄存器，包括31個(gè)通用32位寄存器和6個(gè)狀態(tài)寄存器。

3、ARM7系列微處理器：

包括ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ幾種類型。其中，ARM7TDMI是目前使用最廣泛的32位嵌入式RISC處理器，主頻最高可達(dá)130MIPS，采用能夠提供0.9MIPS/MHz的三級(jí)流水線結(jié)構(gòu)，內(nèi)嵌硬件乘法器（Multiplier），支持16為壓縮指令集Thumb，嵌入式ICE，支持片上Debug，支持片上斷點(diǎn)和調(diào)試點(diǎn)。指令系統(tǒng)與ARM9系列、ARM9E系列和ARM10E系列兼容，支持Windows CE、Linux、Palm OS等操作系統(tǒng)。典型產(chǎn)品如Samsung公司的S< xmlnamespace prefix ="st1" ns ="urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags" />3C4510B。

ARM7TDMI處理器內(nèi)核：

n???????ARM7TDMI還提供了存儲(chǔ)器接口、MMU接口、協(xié)處理器接口和調(diào)試接口，以及時(shí)鐘與總線等控制信號(hào)，如圖2.2.2所示。

n???????存儲(chǔ)器接口包括了32位地址A[31:0］、雙向32位數(shù)據(jù)總線D[31:0]、單向32位數(shù)據(jù)總線DIN[31:0]與DOUT[31:0]、以及存儲(chǔ)器訪問請(qǐng)求MREQ、地址順序SEQ、存儲(chǔ)器訪問控制MAS[1:0和數(shù)據(jù)鎖存控制BL[3:0]等控制信號(hào)。

n???????ARM7TDMI處理器內(nèi)核也可以ARM7TDMI-S軟核（Softcore）形式向用戶提供。同時(shí)，提供多種組合選擇，例如可以省去嵌入式ICE單元等。

n???????2．ARM720T/ARM740T處理器內(nèi)核

n???????ARM720T處理器內(nèi)核是在ARM7TDMI處理器內(nèi)核基礎(chǔ)上，增加8KB的數(shù)據(jù)與指令Cache，支持段式和頁式存儲(chǔ)的MMU（Memory Management Unit）、寫緩沖器及AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）接口而構(gòu)成，如圖2.2.3所示。

n???????ARM740T處理器內(nèi)核與ARM720T處理器內(nèi)核相比，結(jié)構(gòu)基本相同，ARM740T處理器核沒有存儲(chǔ)器管理單元MMU，不支持虛擬存儲(chǔ)器尋址，而是用存儲(chǔ)器保護(hù)單元來提供基本保護(hù)和Cache的控制。合適低價(jià)格低功耗的嵌入式應(yīng)用。

4、ARM9微處理器

ARM9系列微處理器包含ARM920T、ARM922T和ARM940T幾種類型，可以在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。采用5級(jí)整數(shù)流水線，指令執(zhí)行效率更高。提供1.1MIPS/MHz的哈佛結(jié)構(gòu)。支持?jǐn)?shù)據(jù)Cache和指令Cache，具有更高的指令和數(shù)據(jù)處理能力。?支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。支持32位的高速AMBA總線接口。全性能的MMU，支持Windows CE、Linux、Palm OS等多種主流嵌入式操作系統(tǒng)。MPU支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

ARM920T處理器核在ARM9TDMI處理器內(nèi)核基礎(chǔ)上，增加了分離式的指令Cache和數(shù)據(jù)Cache，并帶有相應(yīng)的存儲(chǔ)器管理單元I-MMU和D-MMU、寫緩沖器及AMBA接口等。

ARM9系列微處理器主要應(yīng)用于無線通信設(shè)備、儀器儀表、安全系統(tǒng)、機(jī)頂盒、高端打印機(jī)、數(shù)字照相機(jī)和數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等。典型產(chǎn)品如Samsung公司的S3C2410A。

二、ARM體系結(jié)構(gòu)的五個(gè)方面：

ARM的體系結(jié)構(gòu)或處理器結(jié)構(gòu)主要體現(xiàn)在：ARM微處理器的寄存器結(jié)構(gòu)、異常處理、存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、接口等方面。

1、寄存器結(jié)構(gòu)：

ARM處理器共有37個(gè)寄存器，被分為若干個(gè)組（BANK），這些寄器包括：

●??31個(gè)通用寄存器，包括程序計(jì)數(shù)器（PC指針），均為32位的寄存器。

●??6個(gè)狀態(tài)寄存器，用以標(biāo)識(shí)CPU的工作狀態(tài)及程序的運(yùn)行狀態(tài)，均為32位，目前只使用了其中的一部分。

（1）處理器運(yùn)行模式：

ARM微處理器支持7種運(yùn)行模式，分別為：

●??usr（用戶模式）：ARM處理器正常程序執(zhí)行模式。

●??fiq（快速中斷模式）：用于高速數(shù)據(jù)傳輸或通道處理

●??irq（外部中斷模式）：用于通用的中斷處理

●??svc（管理模式）：操作系統(tǒng)使用的保護(hù)模式

●????????abt (數(shù)據(jù)訪問終止模式)：?當(dāng)數(shù)據(jù)或指令預(yù)取終止時(shí)進(jìn)入該模式，可用于虛擬存儲(chǔ)及存儲(chǔ)保護(hù)。

●??sys（系統(tǒng)模式）：?運(yùn)行具有特權(quán)的操作系統(tǒng)任務(wù)。

●??und（未定義指令中止模式）：當(dāng)未定義的指令執(zhí)行時(shí)進(jìn)入該模式，可用于支持硬件協(xié)處理器的軟件仿真。

ARM微處理器的運(yùn)行模式可以通過軟件改變，也可以通過外部中斷或異常處理改變。

大多數(shù)的應(yīng)用程序運(yùn)行在用戶模式下，當(dāng)處理器運(yùn)行在用戶模式下時(shí)，某些被保護(hù)的系統(tǒng)資源是不能被訪問的。

　　除用戶模式以外，其余的所有6種模式稱之為非用戶模式，或特權(quán)模式；其中除去用戶模式和系統(tǒng)模式以外的5種又稱為異常模式，常用于處理中斷或異常，以及需要訪問受保護(hù)的系統(tǒng)資源等情況。