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嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)之：ARM處理器硬件開發(fā)平臺(tái)

來源：網(wǎng)絡(luò) 2021-12-20 15:18:49

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4.2ARM處理器硬件開發(fā)平臺(tái)

4.2.1ARM處理器簡介

ARM是一類嵌入式微處理器，同時(shí)也是一個(gè)公司的名字。ARM公司于1990年11月成立于英國劍橋，它是一家專門從事16/32位RISC微處理器知識(shí)產(chǎn)權(quán)設(shè)計(jì)的供應(yīng)商。ARM公司本身不直接從事芯片生產(chǎn)，而只是授權(quán)ARM內(nèi)核，再給生產(chǎn)和銷售半導(dǎo)體的合作伙伴，同時(shí)也提供基于ARM架構(gòu)的開發(fā)設(shè)計(jì)技術(shù)。世界各大半導(dǎo)體生產(chǎn)商從ARM公司處購買其設(shè)計(jì)的ARM微處理器核，根據(jù)各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域，加入適當(dāng)?shù)耐鈬娐罚瑥亩纬勺约旱腁RM微處理器芯片進(jìn)入市場。

ARM公司從成立至今，在短短幾十年的時(shí)間就占據(jù)了75%的市場份額，如今，ARM微處理器及技術(shù)的應(yīng)用幾乎已經(jīng)深入到各個(gè)領(lǐng)域。采用ARM技術(shù)的微處理器現(xiàn)在已經(jīng)遍及各類電子產(chǎn)品，汽車、消費(fèi)娛樂、影像、工業(yè)控制、海量存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、安保和無線等市場。到2001年就幾乎已經(jīng)壟斷了全球RISC芯片市場，成為業(yè)界實(shí)際的RISC芯片標(biāo)準(zhǔn)。圖4.3列舉了使用ARM微處理器的公司名稱。

圖4.3ARMIP核用戶

ARM的成功，一方面得益于它獨(dú)特的公司運(yùn)作模式，另一方面，當(dāng)然來自于ARM處理器自身的優(yōu)良性能。ARM處理器有如下特點(diǎn)。

n 體積小、低功耗、低成本、高性能。

n 支持ARM（32位）/Thumb（16位）/Thumb2（16/32位混合）指令集，能很好地兼容8位/16位器件。

n 大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快。

n 大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成。

n 尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高。

n 指令長度固定。

小知識(shí)

常見的CPU指令集分為CISC和RISC兩種。

CISC（ComplexInstructionSetComputer）是“復(fù)雜指令集”。自PC機(jī)誕生以來，32位以前的處理器都采用CISC指令集方式。由于這種指令系統(tǒng)的指令不等長，因此指令的數(shù)目非常多，編程和設(shè)計(jì)處理器時(shí)都較為麻煩。但由于基于CISC指令架構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件已經(jīng)非常普遍了，所以包括Intel、AMD等眾多廠商至今使用的仍為CISC。

RISC（ReducedInstructionSetComputing）是“精簡指令集”。研究人員在對(duì)CISC指令集進(jìn)行測試時(shí)發(fā)現(xiàn)，各種指令的使用頻度相當(dāng)懸殊，其中最常使用的是一些比較簡單的指令，它們僅占指令總數(shù)的20%，但在程序中出現(xiàn)的頻度卻占80%。RISC正是基于這種思想提出的。采用RISC指令集的微處理器處理能力強(qiáng)，并且還通過采用超標(biāo)量和超流水線結(jié)構(gòu)，大大增強(qiáng)并行處理能力。

4.2.2ARM體系結(jié)構(gòu)簡介

1．ARM微處理器工作狀態(tài)

ARM微處理器的工作狀態(tài)一般有三種，并可來回切換。

n 第一種為ARM狀態(tài)，此時(shí)處理器執(zhí)行32位的字對(duì)齊的ARM指令。

n 第二種為Thumb狀態(tài)，此時(shí)處理器執(zhí)行16位的、半字對(duì)齊的Thumb指令。

n 第三種為Thumb2狀態(tài)，此時(shí)處理執(zhí)行16/32位混合的、多類型對(duì)齊的指令。

2．ARM體系結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)格式

n 大端格式：在這種格式中，字?jǐn)?shù)據(jù)的高字節(jié)存儲(chǔ)在低地址中，而字?jǐn)?shù)據(jù)的低字節(jié)則存放在高地址中。

n 小端格式：與大端存儲(chǔ)格式相反，在小端存儲(chǔ)格式中，低地址中存放的是字?jǐn)?shù)據(jù)的低字節(jié)，高地址存放的是字?jǐn)?shù)據(jù)的高字節(jié)。

3．ARM處理器模式

ARM微處理器支持7種運(yùn)行模式，分別如下。

n 用戶模式（usr）：應(yīng)用程序執(zhí)行狀態(tài)。

n 快速中斷模式（fiq）：用于高速數(shù)據(jù)傳輸或通道處理等快速中斷處理。

n 外部中斷模式（irq）：用于通用的中斷處理。

n 管理模式（svc）：特權(quán)模式，操作系統(tǒng)使用的保護(hù)模式。

n 數(shù)據(jù)訪問終止模式（abt）：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)。

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

4.2.3ARM9體系結(jié)構(gòu)

1．ARM微處理器系列簡介

ARM微處理器系列主要特點(diǎn)如表4.2所示。

表4.2 ARM微處理器系列

ARM核	主要特點(diǎn)
ARM7TDMI	•使用v4T體系結(jié)構(gòu) •最普通的低端ARM核 •3級(jí)流水線 •馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu) •CPI約為1.9 T表示支持Thumb指令集（ARM指令是32位的；Thumb指令是16位的） DI表示“EmbeddedICELogic”，支持JTAG調(diào)試 M表示內(nèi)嵌硬件乘法器 ARM720T是具有cache、MMU（內(nèi)存管理單元）和寫緩沖的一種ARM7TDMI
ARM9TDMI	•使用v4T體系結(jié)構(gòu) •5級(jí)流水線：CPI被提高到1.5，提高了最高主頻 •哈佛體系結(jié)構(gòu)：增加了存儲(chǔ)器有效帶寬（指令存儲(chǔ)器接口和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口），實(shí)現(xiàn)了同時(shí)訪問指令存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的功能。 •一般提供附帶的cache：ARM922T有2X8KB的cache、MMU和寫緩沖；ARM920T除了有2×16KB的cache之外，其他的與ARM922t相同；ARM940T有一個(gè)MPU（內(nèi)存保護(hù)單元）
ARM9E	•ARM9E是在ARM9TDMI的基礎(chǔ)上，增加了一些功能：支持V5TE版本的體系結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了單周期32×16乘法器和EmbeddedICELogicRT •ARM926EJ-S/ARM946E-S：有可配置的指令和數(shù)據(jù)cache、指令和數(shù)據(jù)TCM接口以及AHB總線接口。ARM926EJ-S有MMU，ARM946E-S有MPU •ARM966E-S：有指令和數(shù)據(jù)TCM接口，沒有cache、MPU/MMU
ARM11系列	•ARM1136JF-S：使用ARMV6體系結(jié)構(gòu)，性能強(qiáng)大（8級(jí)流水線，有靜態(tài)/動(dòng)態(tài)分支預(yù)測器和返回堆棧），有低延遲中斷模式，有MMU，有支持物理標(biāo)記的4-64k指令和數(shù)據(jù)cache，有一些內(nèi)嵌的可配置的TCM，有4個(gè)主存端口（64位存儲(chǔ)器接口），可以集成VFP協(xié)處理器（可選）。 •ARM1156T2(F)-S：有MPU，支持Thumb2ISA。 •ARM1176JZ(F)-S：在ARM1136JF-S基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了TrustZone技術(shù)。
Cortex系列	•Cortex-A8：使用v7A體系結(jié)構(gòu)，支持MMU、AXI、VFP和NEON。 •Cortex-R4：使用v7R體系結(jié)構(gòu)，支持MPU（可選）、AXI和DualIssue技術(shù)。 •Cortex-M3：使用v7M體系結(jié)構(gòu)，支持MPU（可選）、AHBLite和APB