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2.1 ARM微处理器的体系结构与特点

ARM(Advanced RISC Machines)公司1991年成立于英国剑桥,该公司专门从事基于RISC技术芯片的设计开发,主要出售芯片设计技术的授权。作为知识产权供应商,ARM公司本身不直接从事芯片生产,靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片。半导体生产商从ARM公司购买其设计的ARM微处理器核,根据各自不同的应用领域,加入适当的外围电路,从而形成自己的ARM微处理器芯片(如Samsung S3C2410X、S3C2440等微处理器芯片都采用ARM9内核)进入市场,这就是ARM公司的“Chipless”模式。

全球几十家大的半导体公司(包括Intel、Samsung、Motorola等)普遍使用ARM公司的授权,使得ARM技术开发获得更多的第三方开发工具、制造和软件的支持,使得整个系统的开发成本降低,产品更容易开发,更容易被市场和消费者接受,更具有竞争力。

2.1.1 ARM微处理器体系的结构

ARM微处理器体系结构设计的总体思想是在不牺牲性能的情况下,尽量简化处理器,同时从体系结构的层面上灵活支持处理器扩展。这种简化和开放的思想使得ARM微处理器采用了很简单的结构来实现。目前,ARM 32位体系结构被公认为是业界领先的32位嵌入式RISC微处理器内核,所有ARM微处理器均共享这一体系结构内核。

ARM体系结构采用RISC结构,在简化处理器结构、减少复杂功能指令的同时,提高了处理器的速度。

ARM体系结构均使用固定长度32位指令,使用流水线技术执行指令,大大提高了指令的执行速度;所有的指令执行都是有条件的,大大提高了指令的执行效率。

ARM体系结构使用大量的寄存器,均为32位。共有37个物理寄存器,在逻辑上被分为若干组,这就大大加快了处理器执行指令和运行程序的速度。

ARM体系结构采用先进的微控制器总线架构(Advanced Microcontroller Bus Architecture,AMBA)来扩展不同体系结构、具有不同读写速度的I/O部件。AMBA已成为事实上的片上总线(On Chip Bus,OCB)标准。

2.1.2 ARM微处理器体系的特点

ARM微处理器与其他微处理器相比主要有以下特点。

● 支持Thumb(16位)/ARM(32位)双指令集,能很好地兼容8位/16位器件。

● 内含32×32位的桶形移位寄存器,左移/右移n位、环移n位和算术右移n位等都可以一次完成,可以有效减少移位的延迟时间。

● 指令执行采用3级流水线/5级流水线技术。

● 带有指令Cache和数据Cache,大量使用寄存器,指令执行速度更快。大多数数据操作都在寄存器中完成。寻址方式灵活简单,执行效率高,指令长度固定。

● 支持大端和小端两种方式存储字数据。

● 支持Byte(字节,8位)、Halfword(半字,16位)和Word(字,32位)三种数据类型。

● 支持用户、快速中断、普通中断、管理、中止、系统和未定义7种处理器模式,除了用户模式外,其余均为特权模式。

● 处理器芯片上都嵌入了在线仿真(In Circuit Emulator-Real Time,ICE-RT)逻辑,便于通过JTAG来仿真调试ARM体系结构芯片,可以避免使用昂贵的在线仿真器。

● 具有片上总线AMBA。AMBA定义了3组总线,可以连接具有不同处理速度的集成芯片。3组总线分别是先进高性能总线(AHB)、先进系统总线(ASB)和先进外围总线(APB)。

● 采用存储器映像I/O的方式,即把I/O端口地址作为特殊的存储器地址。

● 具有协处理器接口。ARM允许接16个协处理器,如CP15用于系统控制,CP14用于调试控制器。

● 采取了一些措施以降低功耗,例如降低电源电压,可工作在3.0V以下;减少门的翻转次数;减少门的数目,即降低芯片的集成度;降低时钟频率等。

● 体积小、成本低、性能高。 v5ItH8ILBXysiWr1vcM5LOejJZY1wBhKDDLz4nDvSyBghApmKfzlRmeCHm8xHcyM

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