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ARM处理器硬件开发平台解析
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2017-10-18
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4.2 ARM处理器硬件开发平台
4.2.1 ARM处理器简介
ARM是一类嵌入式微处理器，同时也是一个公司的名字。ARM公司于1990年11月成立于英国剑桥，它是一家专门从事16/32位RISC微处理器知识产权设计的供应商。ARM公司本身不直接从事芯片生产，而只是授权ARM内核，再给生产和销售半导体的合作伙伴，同时也提供基于ARM架构的开发威廉希尔官方网站 。世界各大半导体生产商从ARM公司处购买其设计的ARM微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围威廉希尔官方网站 ，从而形成自己的ARM微处理器芯片进入市场。
ARM公司从成立至今，在短短几十年的时间就占据了75%的市场份额，如今，ARM微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域。采用ARM技术的微处理器现在已经遍及各类电子产品，汽车、消费娱乐、影像、工业控制、海量存储、网络、安保和无线等市场。到2001年就几乎已经垄断了全球RISC芯片市场，成为业界实际的RISC芯片标准。图4.3列举了使用ARM微处理器的公司名称。
图4.3 ARM IP核用户
ARM的成功，一方面得益于它独特的公司运作模式，另一方面，当然来自于ARM处理器自身的优良性能。ARM处理器有如下特点。
n 体积小、低功耗、低成本、高性能。
n 支持ARM（32位）/ Thumb（16位）/ Thumb2（16/32位混合）指令集，能很好地兼容8位/16位器件。
n 大量使用寄存器，指令执行速度更快。
n 大多数数据操作都在寄存器中完成。
n 寻址方式灵活简单，执行效率高。
n 指令长度固定。
小知识常见的CPU指令集分为CISC和RISC两种。
CISC（Complex Instruction Set Computer）是“复杂指令集”。自PC机诞生以来，32位以前的处理器都采用CISC指令集方式。由于这种指令系统的指令不等长，因此指令的数目非常多，编程和设计处理器时都较为麻烦。但由于基于CISC指令架构系统设计的软件已经非常普遍了，所以包括Intel、AMD等众多厂商至今使用的仍为CISC。
RISC（Reduced Instruction Set Computing）是“精简指令集”。研究人员在对CISC指令集进行测试时发现，各种指令的使用频度相当悬殊，其中最常使用的是一些比较简单的指令，它们仅占指令总数的20%，但在程序中出现的频度却占80%。RISC正是基于这种思想提出的。采用RISC指令集的微处理器处理能力强，并且还通过采用超标量和超流水线结构，大大增强并行处理能力。
4.2.2 ARM体系结构简介
1．ARM微处理器工作状态
ARM微处理器的工作状态一般有三种，并可来回切换。
n 第一种为ARM状态，此时处理器执行32位的字对齐的ARM指令。
n 第二种为Thumb状态，此时处理器执行16位的、半字对齐的Thumb指令。
n 第三种为Thumb2状态，此时处理执行16/32位混合的、多类型对齐的指令。
2．ARM体系结构的存储格式
n 大端格式：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。
n 小端格式：与大端存储格式相反，在小端存储格式中，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。
3．ARM处理器模式
ARM微处理器支持7种运行模式，分别如下。
n 用户模式（usr）：应用程序执行状态。
n 快速中断模式（fiq）：用于高速数据传输或通道处理等快速中断处理。
n 外部中断模式（irq）：用于通用的中断处理。
n 管理模式（svc）：特权模式，操作系统使用的保护模式。
n 数据访问终止模式（abt）：当数据或指令预取终止时进入该模式，可用于虚拟存储及存储保护。
n 系统模式（sys）：运行具有特权的操作系统任务。
4.2.3 ARM9体系结构
1．ARM微处理器系列简介
ARM微处理器系列主要特点如表4.2所示。
表4.2 ARM微处理器系列
ARM核主 要 特 点
ARM7TDMI• 使用v4T体系结构
• 最普通的低端ARM核
• 3级流水线
• 冯·诺依曼体系结构
• CPI约为1.9
T表示支持Thumb指令集（ARM指令是32位的；Thumb指令是16位的）
DI表示“Embedded ICE Logic”，支持JTAG调试
M表示内嵌硬件乘法器
ARM720T是具有cache、MMU（内存管理单元）和写缓冲的一种ARM7TDMI
ARM9TDMI
• 使用v4T体系结构
• 5级流水线：CPI被提高到1.5，提高了最高主频
• 哈佛体系结构：增加了存储器有效带宽（指令存储器接口和数据存储器接口），实现了同时访问指令存储器和数据存储器的功能。
• 一般提供附带的cache：ARM922T有2 X 8KB的cache、MMU和写缓冲；ARM920T除了有2 × 16KB的cache之外，其他的与ARM922t相同；ARM940T有一个MPU（内存保护单元）
ARM9E• ARM9E是在ARM9TDMI的基础上，增加了一些功能：支持V5TE版本的体系结构，实现了单周期32 × 16乘法器和Embedded ICE Logic RT
• ARM926EJ-S / ARM946E-S：有可配置的指令和数据cache、指令和数据TCM接口以及AHB总线接口。ARM926EJ-S有MMU，ARM946E-S有MPU
• ARM966E-S：有指令和数据TCM接口，没有cache、MPU/MMU
ARM11系列• ARM1136JF-S：使用ARM V6体系结构，性能强大（8级流水线，有静态/动态分支预测器和返回堆栈），有低延迟中断模式，有MMU，有支持物理标记的4-64k指令和数据cache，有一些内嵌的可配置的TCM，有4个主存端口（64位存储器接口），可以集成VFP协处理器（可选）。
• ARM1156T2（F）-S：有MPU，支持Thumb2 ISA。
• ARM1176JZ（F）-S：在ARM1136JF-S基础上实现了TrustZone技术。
Cortex系列• Cortex-A8：使用v7A体系结构，支持MMU、AXI、VFP和NEON。
• Cortex-R4：使用v7R体系结构，支持MPU（可选）、AXI和Dual Issue技术。
• Cortex-M3：使用v7M体系结构，支持MPU （可选）、AHB Lite 和 APB
因为本书所采用的FS2410开发板的S3C2410X是一款ARM9核处理器，所以下面重点学习ARM9核处理器。
4.2.1 ARM处理器简介
ARM是一类嵌入式微处理器，同时也是一个公司的名字。ARM公司于1990年11月成立于英国剑桥，它是一家专门从事16/32位RISC微处理器知识产权设计的供应商。ARM公司本身不直接从事芯片生产，而只是授权ARM内核，再给生产和销售半导体的合作伙伴，同时也提供基于ARM架构的开发威廉希尔官方网站 。世界各大半导体生产商从ARM公司处购买其设计的ARM微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围威廉希尔官方网站 ，从而形成自己的ARM微处理器芯片进入市场。
ARM公司从成立至今，在短短几十年的时间就占据了75%的市场份额，如今，ARM微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域。采用ARM技术的微处理器现在已经遍及各类电子产品，汽车、消费娱乐、影像、工业控制、海量存储、网络、安保和无线等市场。到2001年就几乎已经垄断了全球RISC芯片市场，成为业界实际的RISC芯片标准。图4.3列举了使用ARM微处理器的公司名称。
图4.3 ARM IP核用户
ARM的成功，一方面得益于它独特的公司运作模式，另一方面，当然来自于ARM处理器自身的优良性能。ARM处理器有如下特点。
n 体积小、低功耗、低成本、高性能。
n 支持ARM（32位）/ Thumb（16位）/ Thumb2（16/32位混合）指令集，能很好地兼容8位/16位器件。
n 大量使用寄存器，指令执行速度更快。
n 大多数数据操作都在寄存器中完成。
n 寻址方式灵活简单，执行效率高。
n 指令长度固定。
小知识常见的CPU指令集分为CISC和RISC两种。
CISC（Complex Instruction Set Computer）是“复杂指令集”。自PC机诞生以来，32位以前的处理器都采用CISC指令集方式。由于这种指令系统的指令不等长，因此指令的数目非常多，编程和设计处理器时都较为麻烦。但由于基于CISC指令架构系统设计的软件已经非常普遍了，所以包括Intel、AMD等众多厂商至今使用的仍为CISC。
RISC（Reduced Instruction Set Computing）是“精简指令集”。研究人员在对CISC指令集进行测试时发现，各种指令的使用频度相当悬殊，其中最常使用的是一些比较简单的指令，它们仅占指令总数的20%，但在程序中出现的频度却占80%。RISC正是基于这种思想提出的。采用RISC指令集的微处理器处理能力强，并且还通过采用超标量和超流水线结构，大大增强并行处理能力。
4.2.2 ARM体系结构简介
1．ARM微处理器工作状态
ARM微处理器的工作状态一般有三种，并可来回切换。
n 第一种为ARM状态，此时处理器执行32位的字对齐的ARM指令。
n 第二种为Thumb状态，此时处理器执行16位的、半字对齐的Thumb指令。
n 第三种为Thumb2状态，此时处理执行16/32位混合的、多类型对齐的指令。
2．ARM体系结构的存储格式
n 大端格式：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。
n 小端格式：与大端存储格式相反，在小端存储格式中，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。
3．ARM处理器模式
ARM微处理器支持7种运行模式，分别如下。
n 用户模式（usr）：应用程序执行状态。
n 快速中断模式（fiq）：用于高速数据传输或通道处理等快速中断处理。
n 外部中断模式（irq）：用于通用的中断处理。
n 管理模式（svc）：特权模式，操作系统使用的保护模式。
n 数据访问终止模式（abt）：当数据或指令预取终止时进入该模式，可用于虚拟存储及存储保护。
n 系统模式（sys）：运行具有特权的操作系统任务。
4.2.3 ARM9体系结构
1．ARM微处理器系列简介
ARM微处理器系列主要特点如表4.2所示。
表4.2 ARM微处理器系列
ARM核主 要 特 点
ARM7TDMI• 使用v4T体系结构
• 最普通的低端ARM核
• 3级流水线
• 冯·诺依曼体系结构
• CPI约为1.9
T表示支持Thumb指令集（ARM指令是32位的；Thumb指令是16位的）
DI表示“Embedded ICE Logic”，支持JTAG调试
M表示内嵌硬件乘法器
ARM720T是具有cache、MMU（内存管理单元）和写缓冲的一种ARM7TDMI
ARM9TDMI
• 使用v4T体系结构
• 5级流水线：CPI被提高到1.5，提高了最高主频
• 哈佛体系结构：增加了存储器有效带宽（指令存储器接口和数据存储器接口），实现了同时访问指令存储器和数据存储器的功能。
• 一般提供附带的cache：ARM922T有2 X 8KB的cache、MMU和写缓冲；ARM920T除了有2 × 16KB的cache之外，其他的与ARM922t相同；ARM940T有一个MPU（内存保护单元）
ARM9E• ARM9E是在ARM9TDMI的基础上，增加了一些功能：支持V5TE版本的体系结构，实现了单周期32 × 16乘法器和Embedded ICE Logic RT
• ARM926EJ-S / ARM946E-S：有可配置的指令和数据cache、指令和数据TCM接口以及AHB总线接口。ARM926EJ-S有MMU，ARM946E-S有MPU
• ARM966E-S：有指令和数据TCM接口，没有cache、MPU/MMU
ARM11系列• ARM1136JF-S：使用ARM V6体系结构，性能强大（8级流水线，有静态/动态分支预测器和返回堆栈），有低延迟中断模式，有MMU，有支持物理标记的4-64k指令和数据cache，有一些内嵌的可配置的TCM，有4个主存端口（64位存储器接口），可以集成VFP协处理器（可选）。
• ARM1156T2（F）-S：有MPU，支持Thumb2 ISA。
• ARM1176JZ（F）-S：在ARM1136JF-S基础上实现了TrustZone技术。
Cortex系列• Cortex-A8：使用v7A体系结构，支持MMU、AXI、VFP和NEON。
• Cortex-R4：使用v7R体系结构，支持MPU（可选）、AXI和Dual Issue技术。
• Cortex-M3：使用v7M体系结构，支持MPU （可选）、AHB Lite 和 APB
因为本书所采用的FS2410开发板的S3C2410X是一款ARM9核处理器，所以下面重点学习ARM9核处理器。
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