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1、UESTCUESTCUESTCUESTCUESTC电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学自动化工程学院自动化工程学院第第2章章嵌入式处理器体系结构嵌入式处理器体系结构嵌嵌 入入 式式 系系 统统 设设 计计(1)处理器设计的两种结构形式处理器设计的两种结构形式CISC与与RISC(2)从计算机系统角度，强调访问存从计算机系统角度，强调访问存储器的设计原则储器的设计原则冯冯诺依曼结构与哈佛结构诺依曼结构与哈佛结构处理器体系结构概述处理器体系结构概述CISC和和RISCCISCCISC：复杂指令集（：复杂指令集（Complex Instru
2、ction Set ComputerComplex Instruction Set Computer）具有大量的指令和寻址方式，指令长度可变具有大量的指令和寻址方式，指令长度可变8/28/28/28/2原则原则原则原则：80%80%的程序只使用的程序只使用20%20%的指令的指令大多数程序只使用少量的指令就能够运行大多数程序只使用少量的指令就能够运行RISCRISC：精简指令集（：精简指令集（Reduced Instruction Set Computer)Reduced Instruction Set Computer)只包含最有用的指令，指令长度固定只包含最有用的指令，指令长度固定确保数据
3、通道快速执行每一条指令确保数据通道快速执行每一条指令使使CPUCPU硬件结构设计变得更为简单硬件结构设计变得更为简单处理器体系结构概述处理器体系结构概述CISC与与RISC的对比的对比类别类别CISCCISCRISCRISC指令系统指令系统指令数量很多指令数量很多较少，通常少于较少，通常少于100100执行时间执行时间有些指令执行时间很长，如有些指令执行时间很长，如整块的存储器内容拷贝；或整块的存储器内容拷贝；或将多个寄存器的内容拷贝到将多个寄存器的内容拷贝到存储器存储器没有较长执行时间的指令没有较长执行时间的指令编码长度编码长度编码长度可变，编码长度可变，1-151-15字节字节编码长度固定
4、，通常为编码长度固定，通常为4 4个字节个字节寻址方式寻址方式寻址方式多样寻址方式多样简单寻址简单寻址操作操作可以对存储器和寄存器进行可以对存储器和寄存器进行算术和逻辑操作算术和逻辑操作只能对寄存器进行算术和逻辑只能对寄存器进行算术和逻辑操作，操作，Load/StoreLoad/Store体系结构体系结构编译编译难以用优化编译器生成高效难以用优化编译器生成高效的目标代码程序的目标代码程序 采用优化编译技术，生成高效采用优化编译技术，生成高效的目标代码程序的目标代码程序 处理器体系结构概述处理器体系结构概述嵌入式微处理器嵌入式微处理器传统的微处理器采用的冯传统的微处理器采用的冯诺依曼结构诺依曼结
5、构将指将指令和数据存放在同一存储空间中令和数据存放在同一存储空间中，统一编址，统一编址，指令和数据通过同一总线访问。指令和数据通过同一总线访问。哈佛结构则是不同于冯哈佛结构则是不同于冯诺依曼结构的一种诺依曼结构的一种并行体系结构，其主要特点是并行体系结构，其主要特点是程序和数据存程序和数据存储在不同的存储空间中储在不同的存储空间中，即程序存储器和数，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编制、独立访问。与之相对应的是储器独立编制、独立访问。与之相对应的是系统中设置的两条总线（程序总线和数据总系统中设置的两条总线（程序总线和数据总线）
6、，从而使数据的吞吐率提高了一倍线），从而使数据的吞吐率提高了一倍。处理器体系结构概述处理器体系结构概述冯冯诺依曼体系结构诺依曼体系结构指令寄存器控制器数据通道输入输出中央处理器存储器程序指令0指令1指令2指令3指令4数据数据0数据1数据2处理器体系结构概述处理器体系结构概述哈佛体系结构哈佛体系结构指令寄存器控制器数据通道输入输出CPU程序存储器指令0指令1指令2数据存储器数据0数据1数据2地址指令地址数据处理器体系结构概述处理器体系结构概述ARMARM微处理器的特点微处理器的特点采用RISC指令集1.低功耗、低成本、高性能低功耗、低成本、高性能使用大量的寄存器ARM/THUMB指令支持流水线A
7、RM处理器的特点处理器的特点ARMARM微处理器的特点微处理器的特点固定长度的指令格式，指令归整、简单、基 本寻址 方式有23种；2.采用采用RISC体系结构体系结构使用单周期指令，便于流水线操作执行；大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作，只有加载/存储指令可以访问存储器，以提高指令的执行效率。ARM处理器的特点处理器的特点ARMARM微处理器的特点微处理器的特点31个通用寄存器，包括程序计数器（PC 指针），均为32位的寄存器；3.大量使用寄存器大量使用寄存器6个状态寄存器，用以标识CPU的工作状态及程序的运行状态，均为32位。ARM处理器的特点处理器的特点ARMARM微处理器的特
8、点微处理器的特点ARM微处理器支持两种指令集：ARM指令集和Thumb指令集。4.高效的指令系统高效的指令系统ARM指令为32位的长度，Thumb指令为16位长度。Thumb指令集为ARM指令集的功能子集，但与等价的ARM代码相比较，可节省3040以上的存储空间，同时具备32位代码的所有优点。ARM处理器的特点处理器的特点ARM体系结构版本体系结构版本V1 该版本的ARM体系结构，只有26位的寻址空间，没有商业化，其特点为：基本的数据处理指令（不包括乘法）；字节、字和半字加载/存储指令；具有分支指令，包括在子程序调用中使用的分支和链接指令；在操作系统调用中使用的软件中断指令。ARM体系结构的发
9、展体系结构的发展 同样为26位寻址空间，现在已经废弃不再使用，它相对V1版本有以下改进：具有乘法和乘加指令；支持协处理器；快速中断模式中的两个以上的分组寄存器；具有原子性加载/存储指令SWP和SWPB。ARM体系结构的发展体系结构的发展ARM体系结构版本体系结构版本V2 寻址范围扩展到32位（目前已废弃），具有独立的程序：具有乘法和乘加指令；支持协处理器；快速中断模式中具有的两个以上的分组寄存器；具有原子性加载/存储指令SWP和SWPB。ARM体系结构版本体系结构版本V3ARM体系结构的发展体系结构的发展 不在为了与以前的版本兼容而支持26位体系结构，并明确了哪些指令会引起未定义指令异常发生，
10、它相对V3版本作了以下的改进：半字加载/存储指令；字节和半字的加载和符号扩展指令；具有可以转换到Thumb状态的指令（BX）；增加了用户模式寄存器的新的特权处理器模式。ARM体系结构的发展体系结构的发展ARM体系结构版本体系结构版本V4 在V4版本的基础上，对现在指令的定义进行了必要的修正，对V4版本的体系结构进行了扩展并增加了指令，具体如下：改进了ARM/Thumb状态之间的切换效率；E-增强型DSP指令集,包括全部算法操作和16位乘法操作；J-支持新的JAVA,提供字节代码执行的硬件和优化软件加速功能。ARM体系结构版本体系结构版本V5ARM体系结构的发展体系结构的发展2001年推出ARM
11、v6，它在许多方面做了改进如内存系统、异常处理和较好地支持多处理器。SIMD扩展使得广大的软件应用如Video和Audiocodec的性能提高了4倍。Thumb-2和TrustZone技术也用于ARMv6中。ARMv6第一个实现是2002年春推出的ARM1136J(F)-STM处理器，2003年又推出了ARM1156T2(F)-S和ARM1176JZ(F)-S处理器。ARM体系结构的发展体系结构的发展ARM体系结构版本体系结构版本V6ARMv7定义了3种不同的处理器配置（processorprofiles）:ProfileA是面向复杂、基于虚拟内存的是面向复杂、基于虚拟内存的OS和应用的和应用
12、的ProfileR是针对实时系统的是针对实时系统的ProfileM是针对低成本应用的优化的微控制器的是针对低成本应用的优化的微控制器的所有ARMv7profiles实现Thumb-2技术，同时还包括了NEON技术的扩展提高DSP和多媒体处理吞吐量400，并提供浮点支持以满足下一代3D图形和游戏以及传统嵌入式控制应用的需要。ARM体系结构版本体系结构版本V7ARM体系结构的发展体系结构的发展ARMFamilyARM7 FamilyARM9 FamilyARM10 FamilyARM11 Family150DMIPS300 DMIPS500 DMIPS1000 DMIPSARM Cortex Fa
13、milyARM720TARM1136J ARM1176JZARM1026EARM920T/ARM922T ARM926EJCortex AApplication ProcessorARM7TDMIARM1156T2ARM1026EARM946ECortex REmbedded RT ControllerARM7TDMIARM966E ARM968ECortex MMicro-controllerARM ArchitectureARM体系结构的发展体系结构的发展系列系列相应产品相应产品性能特点性能特点ARM7ARM7系列系列ARM7TDMI，ARM7TDMI-S，ARM720T，ARM7EJ三级
14、流水三级流水性能：性能：0.9MIPS/MHz,可达到可达到130MIPS(Dhrystone2.1)ARM9ARM9系列系列ARM920T，ARM922T 五级流水，五级流水，性能：性能：1.1MIPS/MHz，可达，可达300MIPS(Dhrystone2.1)，单，单32-bitAMBAbus接口，支持接口，支持MMUARM9EARM9E系列系列ARM926EJ-S,RM946E-S,ARM966E-S,ARM968E-S,ARM996HS 五级流水五级流水，支持，支持DSP指令。指令。性性能：能：1.1MIPS/MHz，可达，可达300MIPS(Dhrystone2.1)，高性能，高性
15、能AHB,软核软核（softIP）ARM10ARM10系列系列ARM1020E,ARM1022EARM1026EJ-S 6级流水支持分支预测（级流水支持分支预测（branchprediction），支持），支持DSP指令。指令。性能：性能：1.35MIPS/MHz，可达，可达430+Dhrystone2.1 MIPS，可选支可选支持高性能浮点操作持高性能浮点操作，双双64位总线接口位总线接口，内部内部64位数据通路位数据通路系列系列相应产品相应产品性能特点性能特点ARM11 ARM11 系列系列ARM11MPCore,ARM1136J(F)-S,ARM1156T2(F)-S,ARM1176JZ
16、(F)-S 8级流水线级流水线(9级级ARM1156T2(F)-S)，独立的，独立的load-store和和arithmetic流水线，支持分支预测和返回流水线，支持分支预测和返回栈（栈（ReturnStack）。强大的）。强大的ARMv6指令集，支指令集，支持持DSP，SIMD(SingleInstructionMultipleData)扩展，扩展，支持支持ARMTrustZone、Thumb-2核心技术。核心技术。740Dhrystone2.1MIPS，低功耗，低功耗0.6mW/MHz(0.13m,1.2V)CortexCortex系列系列Cortex-A8,Cortex-M3,Corte
17、x-R4Cortex-ACortex-A系列系列系列系列:面向用于复杂面向用于复杂面向用于复杂面向用于复杂OSOS和应用的应用处和应用的应用处和应用的应用处和应用的应用处理器（理器（理器（理器（applicationsprocessorsapplicationsprocessors），支持），支持），支持），支持ARM,ARM,ThumbandThumb-2ThumbandThumb-2指令集。指令集。指令集。指令集。Cortex-RCortex-R系列：面向嵌入式实时领域的嵌入式处系列：面向嵌入式实时领域的嵌入式处系列：面向嵌入式实时领域的嵌入式处系列：面向嵌入式实时领域的嵌入式处理器，支持
18、理器，支持理器，支持理器，支持ARM,Thumb,ARM,Thumb,和和和和Thumb-2Thumb-2指令集。指令集。指令集。指令集。Cortex-MCortex-M系列：系列：系列：系列：面向深嵌入式价格敏感的嵌入面向深嵌入式价格敏感的嵌入面向深嵌入式价格敏感的嵌入面向深嵌入式价格敏感的嵌入式处理器式处理器式处理器式处理器，只支持只支持只支持只支持Thumb-2Thumb-2指令集指令集指令集指令集 SecurCore SecurCore 系列系列SecurCoreSC100，SecurCoreSC200用于用于SmartCard和和SecureIC的的32-bit解决方案。解决方案。支
19、持支持ARM和和Thumb指令集，软核。指令集，软核。具有安全特征和低成本安全存储保护单元具有安全特征和低成本安全存储保护单元 ARM7ARM7微处理器系列微处理器系列qARM7系列是为低功耗的系列是为低功耗的32位位RISC处理器，最适合用于处理器，最适合用于对价位和功耗要求较高的消费类应用。对价位和功耗要求较高的消费类应用。ARM7系列有如下特系列有如下特点：点：具有嵌入式具有嵌入式ICERT逻辑，调试开发方便；逻辑，调试开发方便；极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式产品；极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式产品；能够提供能够提供0.9MIPS/MHz的三级流水线结构；
20、的三级流水线结构；代码密度高，并兼容代码密度高，并兼容16位的位的Thumb指令集；指令集；对操作系统的支持广泛，如对操作系统的支持广泛，如WindowsCE、Linux、PalmOS等；等；指令系统与指令系统与ARM9系列、系列、ARM9E系列和系列和ARM10E系列兼容，便系列兼容，便于用户的产品升级换代；于用户的产品升级换代；主频最高可达主频最高可达130M，高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复，高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂应用。杂应用。ARM处理器系列处理器系列ARM7ARM7微处理器系列微处理器系列q主要应用领域：工业控制、主要应用领域：工业控制、Internet设备、网络
21、和调制设备、网络和调制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。qARM7系列微处理器包括如下几种类型的核：系列微处理器包括如下几种类型的核：ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ。其。其中，中，ARM7TMDI是目前使用最广泛的是目前使用最广泛的32位嵌入式位嵌入式RISC处理处理器，属低端器，属低端ARM处理器核。处理器核。TDMI的基本含义为：的基本含义为：T：支持：支持16为压缩指令集为压缩指令集Thumb；D：支持片上：支持片上Debug；M：内嵌硬件乘法器（：内嵌硬件乘法器（Multiplier）I：嵌
22、入式：嵌入式ICE，支持片上断点和调试点；，支持片上断点和调试点；ARM处理器系列处理器系列ARM9ARM9微处理器系列微处理器系列qARM9系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的表现。具有以下特点：佳的表现。具有以下特点：5级整数流水线，指令执行效率更高。级整数流水线，指令执行效率更高。提供提供1.1MIPS/MHz的哈佛结构。的哈佛结构。支持支持32位位ARM指令集和指令集和16位位Thumb指令集。指令集。支持支持32位的高速位的高速AMBA总线接口。总线接口。全性能的全性能的MMU，支持，支持WindowsCE、Linux、PalmOS
23、等多种等多种主流嵌入式操作系统。主流嵌入式操作系统。MPU支持实时操作系统。支持实时操作系统。支持数据支持数据Cache和指令和指令Cache，具有更高的指令和数据处理能力。，具有更高的指令和数据处理能力。ARM处理器系列处理器系列ARM9ARM9微处理器系列微处理器系列qARM9ARM9系列微处理器主要应用于无线设备、仪器仪表、安系列微处理器主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。机等。ARM处理器系列处理器系列ARM9E微处理器系列微处理器系列qARM9EARM9E系列微处理器的主要特点如下：系列
24、微处理器的主要特点如下：支持支持DSP指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合。指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合。5级整数流水线，指令执行效率更高。级整数流水线，指令执行效率更高。支持支持32位位ARM指令集和指令集和16位位Thumb指令集。指令集。支持支持32位的高速位的高速AMBA总线接口。总线接口。支持支持VFP9浮点处理协处理器。浮点处理协处理器。全性能的全性能的MMU，支持众多主流嵌入式操作系统。，支持众多主流嵌入式操作系统。支持数据支持数据Cache和指令和指令Cache，具有更高的处理能力。，具有更高的处理能力。主频最高可达主频最高可达300M。ARM处理器系列处理器系
25、列ARM9EARM9E微处理器系列微处理器系列qARM9EARM9E系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、存储设备和网络设备消费品、成像设备、工业控制、存储设备和网络设备等领域。等领域。qARM9EARM9E系列微处理器包含系列微处理器包含ARM926EJ-SARM926EJ-S、ARM946E-SARM946E-S和和ARM966E-SARM966E-S三种类型，以适用于不同的应用场合。三种类型，以适用于不同的应用场合。ARM处理器系列处理器系列ARM10EARM10E微处理器系列微处理器系列qARM10EARM10E
26、系列微处理器的主要特点如下：系列微处理器的主要特点如下：支持支持DSP指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合。指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合。6级整数流水线，指令执行效率更高。级整数流水线，指令执行效率更高。支持支持32位位ARM指令集和指令集和16位位Thumb指令集。指令集。支持支持32位的高速位的高速AMBA总线接口。总线接口。支持支持VFP10浮点处理协处理器。浮点处理协处理器。全性能的全性能的MMU，支持众多主流嵌入式操作系统。，支持众多主流嵌入式操作系统。支持数据支持数据Cache和指令和指令Cache，具有更高的处理能力，具有更高的处理能力主频最高可达主频最高可达40
27、0M。内嵌并行读内嵌并行读/写操作部件。写操作部件。ARM处理器系列处理器系列ARM10EARM10E微处理器系列微处理器系列qARM10EARM10E系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、通信和信息系统等领域。消费品、成像设备、工业控制、通信和信息系统等领域。qARM10EARM10E系列微处理器包含系列微处理器包含ARM1020EARM1020E、ARM1022EARM1022E和和ARM1026EJ-SARM1026EJ-S三种类型，以适用于不同的应用场合。三种类型，以适用于不同的应用场合。ARM处理器系列处理器系
28、列SecurCoreSecurCore微处理器系列微处理器系列qSecurCoreSecurCore系列微处理器除了具有系列微处理器除了具有ARMARM体系结构各种主要体系结构各种主要特点外，还在特点外，还在系统安全系统安全方面具有如下的特点：方面具有如下的特点：带有灵活的保护单元，确保操作系统和应用数据的安全。带有灵活的保护单元，确保操作系统和应用数据的安全。采用软内核技术，防止外部对其进行扫描探测。采用软内核技术，防止外部对其进行扫描探测。可集成用户自己的安全特性和其他协处理器。可集成用户自己的安全特性和其他协处理器。ARM处理器系列处理器系列SecurCoreSecurCore微处理器系
29、列微处理器系列qSecurCoreSecurCore系列微处理器主要应用于一些对安全性要求系列微处理器主要应用于一些对安全性要求较高的应用产品及应用系统，如电子商务、电子政务、较高的应用产品及应用系统，如电子商务、电子政务、电子银行业务、网络和认证系统等领域。电子银行业务、网络和认证系统等领域。qSecurCoreSecurCore系列微处理器包含系列微处理器包含SecurCore SC100SecurCore SC100、SecurCore SC110SecurCore SC110、SecurCore SC200SecurCore SC200和和SecurCore SecurCore SC2
30、10SC210四种类型，以适用于不同的应用场合。四种类型，以适用于不同的应用场合。ARM处理器系列处理器系列ARM处理器（核）命名规则处理器（核）命名规则ARMxyzTDMIEJF-Sx系列号 y存储管理/保护单元zCacheTThumb指令集DJTAG调试器M快速乘法器I嵌入式跟踪宏单元E增强DSP指令JJazelle技术F向量浮点单元S可综合的内核2：带带MMU4：带带MPU6：无无MMU和和MPU 0：标准标准cache2：小小cache 6：可变可变cacheARM7TDMIARM926EJ-SARM966ESARM1022EARM处理器系列处理器系列ARM处理器的先进技术处理器的先进
31、技术（1）流水线技术）流水线技术流水线流水线(Pipeline)(Pipeline)技术：几个指令可以并行执行技术：几个指令可以并行执行 提高了提高了CPUCPU的运行效率的运行效率 内部信息流要求通畅流动内部信息流要求通畅流动译码取指执行add译码取指执行sub译码取指执行cmp时间AddSubCmp最简单的最简单的3级流水线级流水线低功耗嵌入式领域的经典产品低功耗嵌入式领域的经典产品ARM7ARM7就是采用这种就是采用这种3 3级流水线结构。级流水线结构。ARM处理器的先进技术处理器的先进技术史上最经典的史上最经典的5级流水线级流水线 早期的早期的MIPSMIPS、ARM9ARM9等处理器
32、使用这种流水线，以后的处理器也等处理器使用这种流水线，以后的处理器也都能看到它的影子，包括都能看到它的影子，包括x86x86处理器等。处理器等。ARM处理器的先进技术处理器的先进技术ARM处理器的先进技术处理器的先进技术（2）超标量执行）超标量执行超标量超标量(Superscalar)执行执行：超标量超标量CPU采用多条流水线结构采用多条流水线结构执行1取指指令译码2译码1执行2执行1取指译码2译码1执行2流水线1流水线2数据回写ARM处理器的先进技术处理器的先进技术ARM处理器的先进技术处理器的先进技术超标量处理器超标量处理器指令并行指令并行Superscalar超标量超标量VLIW超长指令
33、字超长指令字ARM处理器的先进技术处理器的先进技术处理器的并行设计处理器的并行设计ARM处理器的先进技术处理器的先进技术并行总结并行总结ARM处理器的先进技术处理器的先进技术ARM处理器的先进技术处理器的先进技术（3）高速缓存（）高速缓存（CACHE）ARM处理器的先进技术处理器的先进技术Cache的工作原理的工作原理ARM处理器的先进技术处理器的先进技术ARM处理器的先进技术处理器的先进技术四级存储结构四级存储结构寄存器寄存器Cache主存主存辅存辅存CPU内部高内部高速电子线路速电子线路(如触发器如触发器)一级：在一级：在CPU内部内部二级：在二级：在CPU外部外部 一般为静态随一般为静态
34、随机存储器机存储器SRAM。一般为半导体存储器，也称为短期存一般为半导体存储器，也称为短期存储器；解决读写储器；解决读写速度速度问题；问题；包括磁盘（中期存储包括磁盘（中期存储器）、磁带、光盘器）、磁带、光盘（长期存储）等；（长期存储）等；解决存储解决存储容量容量问题；问题；其中：其中：cache-主存结构解决主存结构解决高速度与低成本高速度与低成本的矛盾；的矛盾；主存主存-辅存结构利用虚拟存储器解决辅存结构利用虚拟存储器解决大容量与低成本大容量与低成本的矛盾；的矛盾；ARM处理器的先进技术处理器的先进技术ARM处理器的先进技术处理器的先进技术（4）总线和总线桥）总线和总线桥总线是CPU与存储
35、器和设备通信的机制，是计算机各部件之间传送数据、地址和控制信息的公共通道。片内总线或内部总线：连接片内总线或内部总线：连接CPUCPU内部各主要功能部件内部各主要功能部件片外总线：片外总线：CPUCPU与存储器（与存储器（RAMRAM和和ROMROM）和和I/OI/O接口之间进行信息交换的通道接口之间进行信息交换的通道数据总线数据总线DbusDbus地址总线地址总线AbusAbus控制总线控制总线CbusCbus总总线线分分类类总线宽度总线宽度总线频率总线频率总线带宽总线带宽总线带宽总线带宽(单位单位:MB/s):MB/s)=（总线宽度（总线宽度/8/8）总线频率总线频率如：总线宽度如：总线宽
36、度3232位，频率位，频率66MHZ66MHZ，则，则总线带宽总线带宽=（32/832/8）*66MHz=264MB/s66MHz=264MB/s总总线线的的主主要要参参数数又称总线位宽，指的是总线能同时又称总线位宽，指的是总线能同时传送数据的位数。如传送数据的位数。如1616位总线就是位总线就是具有具有1616位数据传送能力。位数据传送能力。总线工作速度的一个重要参数，总线工作速度的一个重要参数，工作频率越高，速度越快。工作频率越高，速度越快。通常用通常用MHzMHz表示。表示。又称总线的数据传送率，是指在一又称总线的数据传送率，是指在一定时间内总线上可传送的数据总量，定时间内总线上可传送的
37、数据总量，用每秒最大传送数据量来衡量。用每秒最大传送数据量来衡量。总线带宽越宽，传输率越高。总线带宽越宽，传输率越高。ARM处理器的先进技术处理器的先进技术总线和总线桥总线和总线桥ARM处理器的先进技术处理器的先进技术ARM处理器的先进技术处理器的先进技术ARM处理器的先进技术处理器的先进技术ARM处理器的先进技术处理器的先进技术总线和总线桥总线和总线桥原因：数据宽度：高速总线通常提供较宽的数据连接。数据宽度：高速总线通常提供较宽的数据连接。数据宽度：高速总线通常提供较宽的数据连接。数据宽度：高速总线通常提供较宽的数据连接。成本：高速总线通常采用更昂贵的电路和连接器。成本：高速总线通常采用更昂
38、贵的电路和连接器。成本：高速总线通常采用更昂贵的电路和连接器。成本：高速总线通常采用更昂贵的电路和连接器。桥桥桥桥允允允允许许许许总总总总线线线线独独独独立立立立操操操操作作作作，这这这这样样样样在在在在I/OI/OI/OI/O操操操操作作作作中中中中可可可可提提提提供供供供某某某某些些些些并并并并行性。行性。行性。行性。一个微处理器系统可能含有多条总线一个微处理器系统可能含有多条总线高速总线高速总线低速总线低速总线高速设备高速设备低速设备低速设备桥桥总线互联的电路总线互联的电路ARM处理器的先进技术处理器的先进技术总线和总线桥总线和总线桥存储器存储器高速设备高速设备CPU CPU 低速设备低
39、速设备低速设备低速设备桥桥高速总线高速总线低速总线低速总线多总线系统多总线系统ARM处理器的先进技术处理器的先进技术北桥北桥南桥南桥前端总线前端总线Front Side BusARM处理器的先进技术处理器的先进技术ARM处理器的先进技术处理器的先进技术ARM处理器的先进技术处理器的先进技术AMBA总线总线AMBA（AdvancedMicrocontrollerBusArchitecture）是ARM公司研发的一种总线规范，目前主要版本为2.0版本。AHB(AdvancedHigh-performanceBus)：用用于高性能系统模块的连接，支持突发模式数于高性能系统模块的连接，支持突发模式数据
40、传输和事务分割；可以有效地连接处理器、据传输和事务分割；可以有效地连接处理器、片上和片外存储器，支持流水线操作。片上和片外存储器，支持流水线操作。APB（AdvancedPeripheralBus）：）：用于较用于较低性能外设的简单连接，一般是接在低性能外设的简单连接，一般是接在AHB系系统总线上的第二级总线。统总线上的第二级总线。ARM处理器的先进技术处理器的先进技术测试测试接口接口ARMARMCPUCPUSDRAMSDRAMControlControlSRAMSRAMLCDLCDControlControl桥桥并行并行接口接口串行串行接口接口TimerTimerUARTUART基于基于AM
41、BA总线的典型系统总线的典型系统AMBA总线总线ARMARM微处理器的工作状态微处理器的工作状态q从编程的角度看，从编程的角度看，ARMARM微处理器的工作状态一般有两种，微处理器的工作状态一般有两种，并可在两种状态之间切换：并可在两种状态之间切换：ARM状态状态此时处理器执行此时处理器执行32位的字对齐的位的字对齐的ARM指令指令Thumb状态状态此时处理器执行此时处理器执行16位的、半字对齐的位的、半字对齐的Thumb指令指令ARM处理器的工作状态处理器的工作状态ARM与与THUMBqTHUMB指令是ARM指令的子集q可以相互调用，只要遵循一定的调用规则qThumb指令与ARM指令的时间效
42、率和空间效率关系为:存储空间约为ARM代码的6070指令数比ARM代码多约3040存储器为32位时ARM代码比Thumb代码快约40存储器为16位时Thumb比ARM代码快约4050使用Thumb代码，存储器的功耗会降低约30ARM处理器的工作状态处理器的工作状态ARM处理器的工作状态处理器的工作状态Thumb指令集指令集具有灵活、小具有灵活、小巧的特点巧的特点ARM指令集支持指令集支持ARM核所有的核所有的特性，具有高效、特性，具有高效、快速的特点快速的特点状态切换方法状态切换方法qARMARM指令集和指令集和ThumbThumb指令集均有切换处理器状态的指令，指令集均有切换处理器状态的指令
43、，并可在两种工作状态之间切换，并可在两种工作状态之间切换，q在开始执行代码时，应该处于在开始执行代码时，应该处于ARMARM状态。状态。ARM处理器的工作状态处理器的工作状态注意：两个状态之间的切换并不影响两个状态之间的切换并不影响处理器模式或寄存器内容。处理器模式或寄存器内容。切换到切换到ThumbThumb状态状态q当操作数寄存器的状态位（位当操作数寄存器的状态位（位0 0）为）为1 1时，可以采用执时，可以采用执行行BXBX指令的方法，使微处理器从指令的方法，使微处理器从ARMARM状态切换到状态切换到ThumbThumb状态。状态。q当处理器处于当处理器处于ThumbThumb状态时发
44、生异常（如状态时发生异常（如IRQIRQ、FIQFIQ、UndefUndef、AbortAbort、SWISWI等），则异常处理返回时，自动切等），则异常处理返回时，自动切换到换到ThumbThumb状态。状态。ARM处理器的工作状态处理器的工作状态;从Arm状态切换到Thumb状态 LDR R0,=Lable+1 BX R0地址最低位为1，表示切换到Thumb状态跳转地址标号切换到切换到ARMARM状态状态q当操作数寄存器的状态位为当操作数寄存器的状态位为0 0时，执行时，执行BXBX指令时可以使指令时可以使微处理器从微处理器从ThumbThumb状态切换到状态切换到ARMARM状态。状态。
45、q在处理器进行异常处理时，把在处理器进行异常处理时，把PCPC指针放入异常模式链指针放入异常模式链接寄存器中，并从异常向量地址开始执行程序，也可接寄存器中，并从异常向量地址开始执行程序，也可以使处理器切换到以使处理器切换到ARMARM状态。状态。ARM处理器的工作状态处理器的工作状态;从Thumb状态切换到ARM状态 LDR R0,=Lable BX R0地址最低位为0，表示切换到ARM状态跳转地址标号ARM体系结构直接支持的数据类型体系结构直接支持的数据类型字节字节 8 8位位半字半字 1616位（必须分配为占用两个字节）位（必须分配为占用两个字节）字字 3232位（必须分配为占用位（必须分
46、配为占用4 4个字节）个字节）1112342ARM直接支持的数据类型直接支持的数据类型ARMARM微处理器的存储器格式微处理器的存储器格式qARMARM体系结构所支持的最大寻址空间为体系结构所支持的最大寻址空间为4GB4GB（2 23232字节）字节）qARMARM体系结构将存储器看作是从体系结构将存储器看作是从0 0地址开始的字节的线性地址开始的字节的线性组合。从组合。从0 0字节到字节到3 3字节放置第一个存储的字数据，从第字节放置第一个存储的字数据，从第4 4个字节到第个字节到第7 7个字节放置第二个存储的字数据，依次排个字节放置第二个存储的字数据，依次排列。列。qARMARM体系结构可
47、以用两种方法存储字数据，称之为大端体系结构可以用两种方法存储字数据，称之为大端格式和小端格式。格式和小端格式。可以通过硬件的方式设置（没有提供可以通过硬件的方式设置（没有提供可以通过硬件的方式设置（没有提供可以通过硬件的方式设置（没有提供软件的方式）端模式软件的方式）端模式软件的方式）端模式软件的方式）端模式ARM处理器的存储器组织处理器的存储器组织大端格式大端格式 在这种格式中，字数据的高字节存储在低地在这种格式中，字数据的高字节存储在低地址中，而字数据的低字节则存放在高地址中址中，而字数据的低字节则存放在高地址中ARM处理器的存储器组织处理器的存储器组织大端的数据存放格式大端的数据存放格式
48、低地址低地址高地址高地址地址地址A地址地址A+1地址地址A+2地址地址A+3最高有效字节的地址最高有效字节的地址就是该就是该word的地址的地址最高有效字节最高有效字节位于最低地址位于最低地址word a=0 x f6 73 4b cdf6734bcd小端格式小端格式 低地址中存放的是字数据的低字节，低地址中存放的是字数据的低字节，高地址存放的是字数据的高字节高地址存放的是字数据的高字节ARM处理器的存储器组织处理器的存储器组织小端的数据格式小端的数据格式 低地址低地址高地址高地址地址地址A地址地址A+1地址地址A+2地址地址A+3最低有效字节的地址最低有效字节的地址就是该就是该word的地址
49、的地址最低有效字节最低有效字节位于最低地址位于最低地址word a=0 x f6 73 4b cdf6734bcd数据信息数据信息状态信息状态信息控制信息控制信息数字量数字量模拟量模拟量开关量开关量连续几位二进制形式表示的数或字符。如连续几位二进制形式表示的数或字符。如键盘输入的信息以及打印机、显示器输出键盘输入的信息以及打印机、显示器输出的信息等的信息等时间上连续变化的量，如温度、压力、流时间上连续变化的量，如温度、压力、流量等量等只有两个状态的量，如阀门的合与断、电只有两个状态的量，如阀门的合与断、电路的开与关等路的开与关等CPUCPU与与I/OI/O设设备之间备之间的接口的接口信息信息反
50、映外设当反映外设当前工作状态前工作状态的信息的信息READY信号：输入设备是否准信号：输入设备是否准备好备好BUSY信号：输出设备是否忙信号：输出设备是否忙CPU向外部向外部设备发送的设备发送的控制命令信控制命令信息息读写控制信号读写控制信号时序控制信号时序控制信号中断信号中断信号片选信号片选信号其它操作信号其它操作信号ARM处理器的处理器的I/O编址方式编址方式I/O端口的编址方式端口的编址方式I/OI/O端口的编址方法，即端口的编址方法，即I/OI/O端口的地址安排方式端口的地址安排方式存储器映射编址存储器映射编址存储器映射编址存储器映射编址I/OI/O映射编址映射编址映射编址映射编址I/