3.3 ARM处理器结构

ARM微处理器的种类繁多，这里以最新的Cortex-M3内核为基础，介绍ARM微处理器的结构。这里介绍内容适用于ST公司的STM32芯片，这是一款采用Cortex-M3内核的ARM微处理器。

3.3.1 ARM的系统构架

ARM Cortex-M3内核主系统由四个驱动单元：内核ICode总线（I-bus）、DCode总线（D-bus）、系统总线（S-bus）和GP-DMA（通用DMA）构成。

● ICode总线：该总线将Cortex-M3内核的指令总线与Flash指令接口相连接。指令预取在此总线上完成。

● DCode总线：该总线将Cortex-M3内核的DCode总线与闪存存储器的数据接口相连接（常量加载和调试访问）。

● 系统总线：此总线连接 Cortex-M3 内核的系统总线（外设总线）到总线矩阵，总线矩阵协调着内核和DMA间的访问。

● DMA总线：此总线将DMA的AHB主控接口与总线矩阵相联，总线矩阵协调着CPU的DCode和DMA到SRAM、闪存和外设的访问。

Cortex-M3通过总线矩阵来协调内核系统总线和DMA主控总线之间的访问仲裁。此仲裁利用轮换算法。此总线矩阵由三个驱动部件（CPU的DCode、系统总线和DMA总线）和三个被动部件（闪存存储器接口、SRAM和AHB2APB桥）构成。

除此之外，Cortex-M3还包括了如下三个被动单元：

● 内部SRAM。

● 内部闪存存储器。

● AHB到APB的桥（AHB2APBx），它连接所有的APB设备。

● 这些都是通过一个多级的AHB总线构架相互连接的，AHB外设通过总线矩阵与系统总线相连，允许DMA访问。两个AHB/APB桥在AHB和2个APB总线间提供同步连接。APB1操作速度限于36MHz，APB2操作于全速（最高72MHz）。

3.3.2 ARM的流水线结构

ARM Cortex-M3与ARM7内核一样，采用适合于微控制器应用的三级流水线，但增加了分支预测功能。

现代处理器大多采用指令预取和流水线技术，以提高处理器的指令执行速度。流水线处理器在正常执行指令时，如果碰到分支（跳转）指令，由于指令执行的顺序可能会发生变化，指令预取队列和流水线中的部分指令就可能作废，而需要从新的地址重新取指、执行，这样就会使流水线“断流”，处理器性能因此而受到影响。特别是现代C语言程序，经编译器优化生成的目标代码中，分支指令所占的比例可达10%～20%，对流水线处理器的影响会更大。为此，现代高性能流水线处理器中一般都加入了分支预测部件，就是在处理器从存储器预取指令时，当遇到分支（跳转）指令时，能自动预测跳转是否会发生，再从预测的方向进行取指，从而提供给流水线连续的指令流，流水线就可以不断地执行有效指令，保证了其性能的发挥。

ARM Cortex-M3内核的预取部件具有分支预测功能，可以预取分支目标地址的指令，使分支延迟减少到一个时钟周期。

3.3.3 ARM的存储器结构

ARM7、ARM9等内核没有定义存储器映射，各芯片厂商自己定义了存储器映射，这使得各厂商的MCU存储器映射都不完全一致，给用户学习使用及程序移植带来了麻烦。

Cortex-M3内核定义了统一的存储器映射，各厂商生产的基于Cortex-M3内核的微控制器芯片都具有一致的存储器映射，对用户使用各种基于 Cortex-M3 的 MCU 及代码在不同 MCU上的移植带来了很大的便利。

固定的Cortex-M3存储器映射，如图3-1所示。