ARM微处理器体系结构

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1、嵌入式系统设计与实例开发—基于32位微处理器与实时操作系统第三讲ARM嵌入式微处理器体系结构北京航空航天大学机器人研究所王田苗　魏洪兴本节提要1324嵌入式微处理器概述ARM体系结构概览ARM编程模型ARM异常处理嵌入式处理器概述嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心。目前32位嵌入式微处理器是市场的主流。32位嵌入式微处理器市场，我们可以发现超过100家的芯片供应商和近30种指令体系结构。在1996年以前，最成功的嵌入式微处理器是Motorola公司的68000系列。此外嵌入式微处理器市场还包括其它体系结构，如Intel公司的I960，Motorola公司的Coldf

2、ire，Sun公司的Sparc，以及嵌入式X86系列平台。当然，最引人注目的还是ARM公司的ARM系列、MIPS公司的MIPS系列，以及Hitachi公司的SuperH系列（其中ARM和MIPS都知识产权公司，把他们的微处理器IP技术授权给半导体厂商，由他们生产形态各异的微处理器芯片）。嵌入式处理器评价指标（1）功耗。一般的嵌入式微处理器都有三种运行模式：运行模式（operational）；待机模式（standbyorpowerdown）；停机模式（andclock-off）。功耗的评测指标是MIPS/W；代码存储密度。传统的CISC指令集计算机具有较好的代码存储

3、密度。而RISC指令集计算机由于要求指令编码长度固定，虽然可以简化和加速指令译码过程，但为了实现与CISC指令集计算机相同的作业，往往需要更多的指令来完成，从而增加了代码长度。如Hitachi的SuperH体系结构采用了定长的16位指令，对每条指令按16位的格式存储。ARM则采用16位扩展的Thumb指令集，片内的逻辑译码器将其等价为32位的ARM指令而实时解码。而MIPS则采用MIPS16方法来解决这个问题。（影响代码密度的另外一个主要因素是所采用的C编译器。ANSIC是当前嵌入式领域的标准编程语言，随着嵌入式微处理器性能的提高，面向对象的语言也将被采用并会逐渐

4、成为主流，一些编译器供应商已经开始着手解决代码密度问题。）嵌入式处理器评价指标（2）集成度。嵌入式微处理器一般都为专用市场设计的，需要较高的集成度。但把所有的外围设备都集成到一个芯片上也不是一种好的解决方案。这是因为高集成度使芯片变得复杂，芯片引脚变密，增加了系统设计和测试的复杂性。因此，集成外围设备时必须要考虑简化系统设计，并缩短整个系统的开发周期。多媒体加速。为实现多媒体加速功能，嵌入式微处理器的设计者在传统的微处理器指令集的基础上增加JPEG和MPEG解压缩的离散余弦变换指令。还有一些半导体厂商针对智能手机和移动通讯市场的需求，将RISC微处理器和DSP集成

5、在一个芯片上，如TI的OMAP。嵌入式处理器的基本结构（1）微处理器是整个系统的核心，通常由3大部分组成：控制单元、算术逻辑单元和寄存器。算术逻辑单元寄存器控制单元微处理器存储器输入输出嵌入式处理器的基本结构（2）控制单元：主要负责取指、译码和取操作数等基本动作，并发送主要的控制指令。控制单元中包括两个重要的寄存器：程序计数器（PC）和指令寄存器（IR）。程序计数器用于记录下一条程序指令在内存中的位置，以便控制单元能到正确的内存位置取指；指令寄存器负责存放被控制单元所取的指令，通过译码，产生必要的控制信号送到算术逻辑单元进行相关的数据处理工作。算术逻辑单元：算术逻

6、辑单元分为两部分，一部分是算术运算单元，主要处理数值型的数据，进行数学运算，如加、减、乘、除或数值的比较；另一部分是逻辑运算单元，主要处理逻辑运算工作，如AND、OR、XOR或NOT等运算。寄存器：用于存储暂时性的数据。主要是从存储器中所得到的数据（这些数据被送到算术逻辑单元中进行处理）和算术逻辑单元中处理好的数据（再进行算术逻辑运行或存入到存储器中。评估嵌入式系统处理器的主要指标要先明确预期最终应用程序在待选平台上的运行情况和测试目的，然后再挑选符合要求的特定测试向量。MIPS测试基准。测试方法是计算在单位时间内各类指令的平均执行条数，单位：MIPS。Dhrys

7、tone。Dhrystone(整数和逻辑运算性能测试)还有Whetstone(测试浮点运算性能)。Dhrystone的计量单位是MIPS(每秒处理100万条指令)而Whetstone的是MFLOPS(每秒执行100万次浮点运算)。测试基准是一个简单的C语言程序。EEMBC验证实验室研究指出，Dhrystone不适于作为嵌入式系统的测试向量。虽然它是市面上最普遍适用的测试向量，但它有许多漏洞。EEMBC。基于每秒钟算法执行的次数和编译代码大小的统计结果。一次详尽的分析需要仔细衡量的因素包括：性能分析、功耗和效率分析、开发工具支持以及价格本节提要1324嵌入式微处理器

8、概述ARM