信息与通信ARM体系结构.pptx
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1、本讲内容本讲内容一、一、ARM9ARM9体系结构体系结构二、二、ARMARM流水线结构流水线结构三、三、ARMARM存储结构存储结构四、四、ARM9ARM9寄存器寄存器五、五、ARMARM异常异常六、六、ARM9ARM9系列芯片系列芯片S3C2410XS3C2410X介绍介绍一、一、ARM9体系结构体系结构本节内容本节内容1、ARM系列处理器简介系列处理器简介2、ARM9体系结构体系结构1、ARM系列处理器简介系列处理器简介ARM9系列简介系列简介ARM7采用的采用的Neumann结构,取指令和取操作数都是通过结构,取指令和取操作数都是通过一条总线分时进行,这样,在高速运算时,不但不能同时一条
2、总线分时进行,这样,在高速运算时,不但不能同时取指令和取操作数,而且还会造成传输通道上的瓶颈现象。取指令和取操作数,而且还会造成传输通道上的瓶颈现象。ARM9采用哈佛(采用哈佛(Harvard)结构,程序存储器与数据存储结构,程序存储器与数据存储器分开,提供了较大的存储器带宽。同时,大多数器分开,提供了较大的存储器带宽。同时,大多数DSP都都采用此结构。采用此结构。ARM9为五级流水(取指,译码,执行,缓冲为五级流水(取指,译码,执行,缓冲/数据,回写)数据,回写),平均功耗为,平均功耗为0.7mW/MHz。时钟速度为。时钟速度为120MHz-200MHz,每条指令平均执行,每条指令平均执行1
3、.5个时钟周期。个时钟周期。ARM9系列微处理器包含系列微处理器包含ARM920T、ARM922T和和ARM940T三种类型,主要应用在手持产品、视频电话、三种类型,主要应用在手持产品、视频电话、PDA、数字消费产品、机顶盒、家用网关等方面。、数字消费产品、机顶盒、家用网关等方面。ARM9系列处理器简介系列处理器简介ARM9系列产品系列产品 项目项目 型号型号Cache(Ins/Data)MMBusThumbDSPJazelle指令指令版本版本ARM920T16KB/16KBMMUASBYesNoNov4TARM922T8KB/8KBMMUASBYesNoNov4TARM940T4KB/4KB
4、MMUASBYesNoNov4TARM9系列处理器简介系列处理器简介ARM9E系列系列ARM9E系列微处理器包括如下系列微处理器包括如下4种类型的核:种类型的核:ARM926EJ-S、ARM946E-S和和ARM966E-SARM9E系列是一种包含有微控制器、系列是一种包含有微控制器、DSP、Java功能的综合处理器,强化了数字信号处理能力,适功能的综合处理器,强化了数字信号处理能力,适用于需要用于需要DSP和微控制器结合使用的情况,并且把和微控制器结合使用的情况,并且把Thumb技术和技术和DSP都扩展到了都扩展到了ARM指令中,并且指令中,并且具有具有EmbededICE-RT逻辑,更好地
5、适应了实时系逻辑,更好地适应了实时系统开发的需要。同时统开发的需要。同时ARM9E使用了使用了Jazelle增强技增强技术,该技术支持一种新的术,该技术支持一种新的Java操作状态,在硬件中操作状态,在硬件中执行执行Java字节码。字节码。ARM9系列处理器简介系列处理器简介 ARM9E系列产品系列产品 项目项目 型号型号Cache(Ins/Data)MMBusThumb DSP Jazelle指令指令版本版本ARM926EJ-S可变MMU2*AHBYesYesYesv5TEJARM946E-S可变MPUAHBYesYesNov5TEARM966E-S无-AHBYesYesNov5TEARM9
6、68E-S无DMAAHBYesYesNov5TEARM10系列处理器简介系列处理器简介ARM10系列系列 ARM10系列微处理器包括:系列微处理器包括:ARM1020E和和ARM1022E等型号等型号 ARM10系列采用了新的体系结构,其核心为使用了向量系列采用了新的体系结构,其核心为使用了向量浮点单元,有强大的浮点运算能力,并且增加了浮点单元,有强大的浮点运算能力,并且增加了Cache容容量和总线宽度,并且具有低功耗的特点。量和总线宽度,并且具有低功耗的特点。ARM10系列微处系列微处理器主要应用于下一代无线设备、视频消费品等。理器主要应用于下一代无线设备、视频消费品等。ARM10系列产品系
7、列产品 项目项目 型号型号Cache(Ins/Data)MMBusThumbDSP Jazelle指令指令版本版本ARM1020E32KB/32KBMMU2*AHBYesYesNov5TEARM1022E16KB/16KBMMU2*AHBYesYesNov5TEARM1022E可变MPUMMU2*AHBYesYesYesv5TEJARM其它系列处理器简介其它系列处理器简介ARMStrong/Xscale系列系列 StrongARM是采用是采用ARM体系结构高度集成的体系结构高度集成的32位位RISC微处理器。它融合了微处理器。它融合了Intrl公司的设计技术,公司的设计技术,以及以及ARM体系
8、结构的电源效率,其体系结构在软件体系结构的电源效率,其体系结构在软件上兼容上兼容ARMv4,同时又具有,同时又具有Intel技术优点。技术优点。StrongARM是是Intrl公司为手持消费类电子和移公司为手持消费类电子和移动计算与通信设备生产的嵌入式处理器。采用动计算与通信设备生产的嵌入式处理器。采用StrongARM架构的处理器有:架构的处理器有:SA-1、SA-110、SA-1100、SA1110和和IXP1200。Xscale是基于是基于ARMv5体系结构的解决方案,是体系结构的解决方案,是一款性能全、性价比高、功耗低的处理器,支持一款性能全、性价比高、功耗低的处理器,支持16位的位的
9、Thumb和和DSP指令集,主要应用于数字移动电指令集,主要应用于数字移动电话、个人数字助理和网络产品等。话、个人数字助理和网络产品等。Xscale架构的处架构的处理器有:理器有:PXA250、PXA255和和PXA270等。等。ARM系列处理器简介系列处理器简介ARM微处理器应用微处理器应用1、工业控制领域:、工业控制领域:作为作为32的的RISC架构,基于架构,基于ARM核核的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部分市的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额,同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展,场份额,同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展,ARM微控制器的低功耗、高
10、性价比,向传统的微控制器的低功耗、高性价比,向传统的8位位/16位微控制位微控制器提出了挑战。器提出了挑战。2、无线通讯领域:、无线通讯领域:目前已有超过目前已有超过85%的无线通讯设备的无线通讯设备采用了采用了ARM技术,技术,ARM以其高性能和低成本,在该领域以其高性能和低成本,在该领域的地位日益巩固。的地位日益巩固。3、网络应用:、网络应用:随着宽带技术的推广,采用随着宽带技术的推广,采用ARM技术的技术的ADSL芯片正逐步获得竞争优势。此外,芯片正逐步获得竞争优势。此外,ARM在语音及视在语音及视频处理上进行了优化,并获得广泛支持,也对频处理上进行了优化,并获得广泛支持,也对DSP的应
11、用的应用领域提出了挑战。领域提出了挑战。ADSL(非对称数字用户线路非对称数字用户线路)4、消费类电子产品:、消费类电子产品:ARM技术在目前流行的数字音频技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用。播放器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用。5、成像和安全产品:、成像和安全产品:现在流行的数码相机和打印机中现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用绝大部分采用ARM技术。手机中的技术。手机中的32位位SIM智能卡也采用智能卡也采用了了ARM技术。技术。ARM系列产品命名规则系列产品命名规则ARM 926EJ-SARM 926EJ-SFamily number 7:ARM7
12、9:ARM910:ARM1011:ARM11Memory system 2:Cache,MMU,Process ID 4:Cache,MPU 6:Write buffer,no cacheMemory size 0:Cache size(4-128KB)2:Reduced cache size 6:TCMSynthesizableExtensions E:DSP extension J:Jazelle extension T:Thumb support2、ARM9体系结构体系结构ARM9体系结构框图体系结构框图对于对于ARM9系列,其基本内核是系列,其基本内核是ARM9TDMI,下页图给出了下
13、页图给出了ARM9TDMI结构框图。主要有结构框图。主要有7部分部分构成。构成。比较最常用的是比较最常用的是ARM920T内核,后页图给出了内核,后页图给出了ARM920T结构框图。结构框图。ARM920T结构主要部分有:结构主要部分有:ARM9TDMI内核内核CPU、MMU、Cache、协处理器接口、运行跟踪、协处理器接口、运行跟踪信息接口信息接口(ETM)、JTAG调试接口、总线接口等调试接口、总线接口等7部部分构成。分构成。ARM9TDMI体系结构框图体系结构框图ARM9TDMI CPU指令接口指令接口数据地址接口数据地址接口跟踪接口跟踪接口数据接口数据接口JTAG指令地址接口指令地址接
14、口ARM9TDMI结构框图结构框图ARM920T体系结构框图体系结构框图ARM920T体系结构框图体系结构框图二、二、ARM流水线结构流水线结构本节内容本节内容1、ARM流水线结构流水线结构2、ARM总线结构总线结构1、ARM流水线结构流水线结构流水线技术概述流水线技术概述 流水线方式:流水线方式:是把一个重复的过程分解为若干个是把一个重复的过程分解为若干个子过程,每个子过程可以与其他子过程同时进行。子过程,每个子过程可以与其他子过程同时进行。由于这种工作方式与工厂中的生产流水线十分相似,由于这种工作方式与工厂中的生产流水线十分相似,因此,把它称为流水线工作方式。因此,把它称为流水线工作方式。
15、处理器按照一系列步骤来执行每一条指令。典型处理器按照一系列步骤来执行每一条指令。典型的步骤为:的步骤为:1)从存储器读取指令()从存储器读取指令(fetch)2)译码以鉴别它是哪一类指令()译码以鉴别它是哪一类指令(dec)3)从寄存器组取得所需的操作数()从寄存器组取得所需的操作数(reg)4)将操作数进行组合以得到结果或存储器地址()将操作数进行组合以得到结果或存储器地址(exe)5)如果需要,则访问存储器存取数据()如果需要,则访问存储器存取数据(mem)6)将结果回写到寄存器组()将结果回写到寄存器组(res)ARM7的三级流水线1取指:取指:从程序存储器中取指令,放入指令流水线。从程
16、序存储器中取指令,放入指令流水线。(占用存储器访问操作占用存储器访问操作)2译码:译码:指令译码。指令译码。(占用译码逻辑占用译码逻辑)3执行:执行:执行指令执行指令/读写读写REG。(占用占用ALU及数据路径及数据路径)1、ARM流水线结构流水线结构 下图为下图为3个单周期指令在流水线上的情况。一条指令有个单周期指令在流水线上的情况。一条指令有3个个时钟周期的执行时间,但吞吐量是每个周期时钟周期的执行时间,但吞吐量是每个周期1条指令。条指令。取指取指译码译码执行执行取指取指译码译码执行执行取指取指译码译码执行执行t123PC值如何计算?值如何计算?PC 指向处于读取级的指令地址,而不是处于执
17、行级的指令地址指向处于读取级的指令地址,而不是处于执行级的指令地址PC=当前执行指令地址当前执行指令地址+8ARM单周期指令的单周期指令的3级流水线操作级流水线操作ARM流水线结构流水线结构 优秀的流水线结构优秀的流水线结构 OperationCycle 1 2 3 45 6 ADD SUB MOV AND ORR EOR CMP RSBFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteDecodeExecuteFetchDecodeFetchFetch本例中本例中
18、 6 个时钟周期内一共完成了个时钟周期内一共完成了?条指令条指令全部对寄存器进行操作全部对寄存器进行操作 (单周期执行)(单周期执行)指令周期数指令周期数(CPI)=1ARM流水线结构流水线结构多周期指令的多周期指令的3级流水线操作级流水线操作取指取指译码译码执行执行取指取指译码译码地址地址计算计算数据数据传送传送取指取指 取指取指译码译码执行执行译码译码执行执行取指取指 译码译码 执行执行 1 2 3 4 5 6 7 81 ADD2 STB3 ADD4 ADD5 ADD指令流水线出现了中断指令流水线出现了中断 ARM流水线结构流水线结构T4周期周期:指令指令2地址计算产生地址计算产生下一周期
19、数据路下一周期数据路 径需要的径需要的控制信号控制信号。指令指令3译码产生译码产生下一周期数据路径需下一周期数据路径需要要 的的控制信号控制信号。二者都产生二者都产生下一周期数据路径控制信号,数据路径控制下一周期数据路径控制信号,数据路径控制冲突,因此断流冲突,因此断流。T5周期周期:指令指令2 STB访问数据访问数据存储器存储器 指令指令5取指访问程序取指访问程序存储器存储器 二者都二者都访问存储器,造成访问存储器访问存储器,造成访问存储器冲突,在此断流。冲突,在此断流。指令指令3译码译码 指令指令4的译码则不得不推迟一个周期。的译码则不得不推迟一个周期。ARM流水线结构流水线结构ARM9T
20、DMI的五级流水线的五级流水线ARM7TDMI与与ARM9TDMI流水线比较流水线比较ARM流水线结构流水线结构ARM7和和ARM9流水线比较流水线比较 5级流水线的级流水线的ARM9内核是内核是哈佛架构哈佛架构,拥有,拥有独立的指令和数据总线;指令和数据的读取独立的指令和数据总线;指令和数据的读取可以在同一周期进行;可以在同一周期进行;3级流水的级流水的ARM7内核是指令和数据总线复内核是指令和数据总线复用的用的冯冯.诺依曼架构诺依曼架构,指令和数据的读取不能,指令和数据的读取不能在同一周期进行;在同一周期进行;5级流水线设计把寄存器读取、逻辑运算、级流水线设计把寄存器读取、逻辑运算、结果回
21、写分散在不同的流水当中,结果回写分散在不同的流水当中,每一级流每一级流水的操作简洁,提升了处理器的主频。水的操作简洁,提升了处理器的主频。ARM流水线结构流水线结构ARM流水线结构流水线结构 随着流水线深度(级数)的增加,每一段随着流水线深度(级数)的增加,每一段的工作量被削减了,这使得处理器可以工作的工作量被削减了,这使得处理器可以工作在更高的频率,同时改进了处理器的性能;在更高的频率,同时改进了处理器的性能;负面作用是增加了系统的延时,即内核在负面作用是增加了系统的延时,即内核在执行一条指令前,需要更多的周期来填充流执行一条指令前,需要更多的周期来填充流水线;水线;流水线级数的增加也意味着
22、在某些段之间流水线级数的增加也意味着在某些段之间会产生数据相关。会产生数据相关。ARM流水线结构流水线结构ARM处理器性能比较处理器性能比较2、ARM总线结构总线结构ARM微控制器使用的是微控制器使用的是AMBA总线体系结构总线体系结构AMBA(Advanced Microcontroller Bus Architecture)是)是ARM公司公布的总线标准,先公司公布的总线标准,先进的进的AMBA规范定义了三种总线:规范定义了三种总线:AHB总线总线(Advanced High-performance Bus):):用于连接高性能系统模块。它支持突发数用于连接高性能系统模块。它支持突发数据传
23、输方式及单个数据传输方式,所有时序据传输方式及单个数据传输方式,所有时序 参考参考同一个时钟沿。同一个时钟沿。ASB总线总线(Advanced System Bus):):用于连用于连接高性能系统模块,它支持突发数据传输模式。接高性能系统模块,它支持突发数据传输模式。APB总线总线(Advance Peripheral Bus):):是一是一个简单接口支持低性能的外围接口。个简单接口支持低性能的外围接口。本节内容本节内容1、ARM存储数据类型存储数据类型2、ARM存储器组织存储器组织3、ARM存储器层次存储器层次 三、三、ARM存储结构存储结构 ARM存储数据类型存储数据类型ARM处理器支持以
24、下处理器支持以下6种数据类型:种数据类型:8位位有符号和无符号字节有符号和无符号字节(Byte)。16位位有符号和无符号半字有符号和无符号半字(Halfword)它们必须以两字节的边界对齐它们必须以两字节的边界对齐(半字对齐半字对齐)。32位位有符号和无符号字有符号和无符号字(word)它们必须以它们必须以4字节的边界对齐字节的边界对齐(字对齐字对齐)。字对齐字对齐:字单元地址的低两位:字单元地址的低两位 A1A0=0b00。即。即地址末位为地址末位为0 x0,0 x4,0 x8,0 xc。半字对齐半字对齐:半字单元地址的最低位:半字单元地址的最低位 A0=0b0(地地址末位为址末位为0 x0
25、,0 x2,0 x4,0 x6,0 x8,0 xa,0 xc,0 xe)。1、ARM存储数据类型存储数据类型 对对于于指指令令,ARM指指令令系系统统分分为为32位位ARM指指令令集集和和16位位的的Thumb指指令令集集,在在存存储储时时分分别别以以32位位和和16位的两种不同长度存储。位的两种不同长度存储。对对于于数数据据,ARM支支持持对对32位位字字数数据据,16位位半半字字数数据据,8位位字字节节数数据据操操作作。因因此此数数据据存存储储器器可可以以存存储储32位,位,16位,位,8位三种不同长度数据。位三种不同长度数据。在在ARM内内部部,所所有有操操作作都都面面向向32位位的的操
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