第2章ARM及其编程模型

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嵌入式系统基础李建义

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回顾

嵌入式系统定义 嵌入式系统的软硬件组成 常见的嵌入式处理器 常见的嵌入式操作系统 嵌入式系统的设计与开发过程

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第2章 ARM9体系结 构

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第2章 ARM9体系结构1.

2. 3. 4. 5.

6.

RISC体系结构和CISC体系结 构 ARM处理器概述 ARM9处理器 ARM9的存储组织结构 ARM9的异常 ARM9的寻址方式

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2.0 RISC体系结构和CISC体系结 构

处理器设计方向：RISC和CISC CISC:复杂指令集计算机(Complex Instruction Set Computer)

具有大量的指令，指令长度不固定 8/2原则：20%的指令占用80%的执行时间 大多数程序只使用少量的指令就能够运行 更多的专用寄存器

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2.0.1 CISC存在的问题

CISC结构和思路存在的问题： (1) 指令系统庞大。 (2)指令执行速度低。 (3)编译程序本身太长、太复杂。 (4)各种指令使用频度都不会太高，且差别 很大。

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2.0.2 RISC设计思想

针对CISC结构存在的这些问题，Patterson等 人提出了精简指令系统(RISC-Reduced instruction Set Computer)计算机的设想。 通过精减指令来使计算机结构变得简单、合理、 有效，并克服CISC结构的上述缺点。 RISC 是一种设计思想，并不是一种产品，它 是近代计算机体系结构发展的一个里程碑。 CMU发表的学术论文提出了设计RISC机器应 当遵循的一般原则，包括：7

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2.0.2 RISC设计思想

(1) 确定指令系统时，只选择使用频度很高 的那些指令，在此基础上增加少量能有效支 持操作系统和高级语言实现及其他功能的最 有用的指令，让指令的条数大大减少，一般 不超过 100 条。 (2) 大大减少指令系统可采用的寻址方式的 种类，一般不超过两种。简化指令的格式， 使之也限制在两种之内，并让全部指令都具 有相同的长度。

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2.0.2 RISC设计思想

(3) 让所有指令都在一个机器周期内完成。 (4) 扩大通用寄存器的个数，一般不少于 32 个寄存器， 以尽可能减少访存操作，所有指 令中只有存(STORE)、取(LOAD)指令才可 访存，其他指令的操作一律都在寄存器间进 行。 (5) 为提高指令执行速度，大多数指令都采 用硬件控制实现， 少数指令采用微程序实现。 9

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2.0.2 RISC设计思想

(6) 通过精简指令和优化设计编译程序，以简 单有效的方式来支持高级语言的实现。 一句话： 减少指令平均周期是RISC设计思想的精华

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2.0.3 RISC实现

RISC特点：

在通道中只包含最有用的指令，指令长度固定 确保数据通道快速执行每一条指令 使CPU硬件结构设计变得更为简单 Load-store结构，只处理寄存器的数据，更多的 通用寄存器

RISC

第一个最成功的商业化实例就是ARM 1980年以来，所有新的处理器都或多或少的 采用了RISC的概念11

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2.1 ARM处理器概述

ARM公司成立于1990年11月

前身为 Acorn计算机公司 Advance RISC Machine(ARM)

主要设计ARM系列RISC处理器内核 授权ARM内核给生产和销售半导体的合作伙 伴

ARM 公司不生产芯片 IP(Intelligence Property)12

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2.1 ARM处理器概述

另外也提供基于ARM架构的开发设计技术

软件工具, 评估板, 调试工具,应用软件 总线架构, 外围设备单元，等等

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Arm公司合作伙伴

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2.1.1 ARM微处理器的特点

32位RISC微处理器 体积小、低功耗、低成本、高性能 支持Thumb/ARM指令集，能很好的兼容8位 /16位器件 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 寻址方式简单灵活，执行效率高 指令长度固定15

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2.1.2 ARM体系结构的版本ARM架构自诞生至今,已经发生了很大的演变,至 今已定义6种不同的版本

V1版架构 V2版架构 V3版架构 V4版架构 V5版架构 V6版架构

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1. V1版架构

该版架构只在原型机ARM1出现过,其基本性 能：

基本的数据处理指令(无乘法) 字节、半字和字的LOAD/STORE指令 转移指令,包括子程序调用及链接指令 软件中断指令 寻址空间：64M字节

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2. V2版架构

该版架构对V1版进行了扩展,如ARM2与 ARM3(V2a版)架构,增加了以下功能：

乘法和乘加指令 支持协处理器操作指令 快速中断模式 SWP/SWPB的最基本存储器与寄存器交换指令 寻址空间：64M字节(226)

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3. V3版架构

把寻址空间增至32位(4G字节) 增加了当前程序状态寄存器CPSR(Current Program Status Register)和程序状态保存 寄存器SPSR(Saved Program Status Register)以便于异常(Exception)的处理。 增加了中止(Abort)和未定义二种处理器模式。 ARM6就采用该版架构。指令集变化如下： 增加了MRS/MSR指令,以访问新增的 CPSR/SPSR寄存器 增加了从异常处理返回的指令功能。19

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/cvfi.html