嵌入式系統基礎之：ARM處理器硬件開(kāi)發(fā)平臺

作者：時(shí)間：2013-09-13 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )

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本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/257145.htm

4.2ARM處理器硬件開(kāi)發(fā)平臺

4.2.1ARM處理器簡(jiǎn)介

ARM是一類(lèi)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(zhuān)門(mén)從事16/32位RISC微處理器知識產(chǎn)權設計的供應商。ARM公司本身不直接從事芯片生產(chǎn)，而只是授權ARM內核，再給生產(chǎn)和銷(xiāo)售半導體的合作伙伴，同時(shí)也提供基于A(yíng)RM架構的開(kāi)發(fā)設計技術(shù)。世界各大半導體生產(chǎn)商從ARM公司處購買(mǎi)其設計的ARM微處理器核，根據各自不同的應用領(lǐng)域，加入適當的外圍電路，從而形成自己的ARM微處理器芯片進(jìn)入市場(chǎng)。

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

圖4.3ARMIP核用戶(hù)

ARM的成功，一方面得益于它獨特的公司運作模式，另一方面，當然來(lái)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，指令執行速度更快。

n 大多數數據操作都在寄存器中完成。

n 尋址方式靈活簡(jiǎn)單，執行效率高。

n 指令長(cháng)度固定。

小知識

常見(jiàn)的CPU指令集分為CISC和RISC兩種。

CISC（ComplexInstructionSetComputer）是“復雜指令集”。自PC機誕生以來(lái)，32位以前的處理器都采用CISC指令集方式。由于這種指令系統的指令不等長(cháng)，因此指令的數目非常多，編程和設計處理器時(shí)都較為麻煩。但由于基于CISC指令架構系統設計的軟件已經(jīng)非常普遍了，所以包括Intel、AMD等眾多廠(chǎng)商至今使用的仍為CISC。

RISC（ReducedInstructionSetComputing）是“精簡(jiǎn)指令集”。研究人員在對CISC指令集進(jìn)行測試時(shí)發(fā)現，各種指令的使用頻度相當懸殊，其中最常使用的是一些比較簡(jiǎn)單的指令，它們僅占指令總數的20%，但在程序中出現的頻度卻占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，并且還通過(guò)采用超標量和超流水線(xiàn)結構，大大增強并行處理能力。

4.2.2ARM體系結構簡(jiǎn)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(lái)回切換。

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

n 第二種為T(mén)humb狀態(tài)，此時(shí)處理器執行16位的、半字對齊的Thumb指令。

n 第三種為T(mén)humb2狀態(tài)，此時(shí)處理執行16/32位混合的、多類(lèi)型對齊的指令。

2．ARM體系結構的存儲格式

n 大端格式：在這種格式中，字數據的高字節存儲在低地址中，而字數據的低字節則存放在高地址中。

n 小端格式：與大端存儲格式相反，在小端存儲格式中，低地址中存放的是字數據的低字節，高地址存放的是字數據的高字節。

3．ARM處理器模式

ARM微處理器支持7種運行模式，分別如下。

n 用戶(hù)模式（usr）：應用程序執行狀態(tài)。

n 快速中斷模式（fiq）：用于高速數據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）：特權模式，操作系統使用的保護模式。

n 數據訪(fǎng)問(wèn)終止模式（abt）：當數據或指令預取終止時(shí)進(jìn)入該模式，可用于虛擬存儲及存儲保護。

n 系統模式（sys）：運行具有特權的操作系統任務(wù)。

4.2.3ARM9體系結構

1．ARM微處理器系列簡(jiǎn)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體系結構 •最普通的低端ARM核 •3級流水線(xiàn) •馮·諾依曼體系結構 •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調試 M表示內嵌硬件乘法器 ARM720T是具有cache、MMU（內存管理單元）和寫(xiě)緩沖的一種ARM7TDMI
ARM9TDMI	•使用v4T體系結構 •5級流水線(xiàn)：CPI被提高到1.5，提高了最高主頻 •哈佛體系結構：增加了存儲器有效帶寬（指令存儲器接口和數據存儲器接口），實(shí)現了同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)指令存儲器和數據存儲器的功能。 •一般提供附帶的cache：ARM922T有2X8KB的cache、MMU和寫(xiě)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（內存保護單元）
ARM9E	•ARM9E是在A(yíng)RM9TDMI的基礎上，增加了一些功能：支持V5TE版本的體系結構，實(shí)現了單周期32×16乘法器和EmbeddedICELogicRT •ARM926EJ-S/ARM946E-S：有可配置的指令和數據cache、指令和數據TCM接口以及AHB總線(xiàn)接口。ARM926EJ-S有MMU，ARM946E-S有MPU •ARM966E-S：有指令和數據TCM接口，沒(méi)有cache、MPU/MMU
ARM11系列	•ARM1136JF-S：使用ARMV6體系結構，性能強大（8級流水線(xiàn)，有靜態(tài)/動(dòng)態(tài)分支預測器和返回堆棧），有低延遲中斷模式，有MMU，有支持物理標記的4-64k指令和數據cache，有一些內嵌的可配置的TCM，有4個(gè)主存端口（64位存儲器接口），可以集成VFP協(xié)處理器（可選）。 •ARM1156T2(F)-S：有MPU，支持Thumb2ISA。 •ARM1176JZ(F)-S：在A(yíng)RM1136JF-S基礎上實(shí)現了TrustZone技術(shù)。
Cortex系列	•Cortex-A8：使用v7A體系結構，支持MMU、AXI、VFP和NEON。 •Cortex-R4：使用v7R體系結構，支持MPU（可選）、AXI和DualIssue技術(shù)。 •Cortex-M3：使用v7M體系結構，支持MPU（可選）、AHBLite和APB