第7章 ARM微处理器体系结构

ARM嵌入式系统第2章ARM体系结构ARM微处理器的编程模型♦ARM徴处理器的工作状态♦ARM体系结构的存储器格式♦ARM体系结构的指令长度及数据宽度♦ARM微处理器的处理器模式♦ARM体系结构的寄存器组织♦ARM微处理器的异常状态字、半字、字节字（Word）在ARM体系结构中，字的长度为32位半字（Half-Word）在ARM体系结构中，半字的长度为16位字节（Byg）在ARM体系结构中，字节的长度为8位。

ARM微处理器的工作状态（1）字对齐：四字节对齐半字对齐：两字节对齐两种状态:♦ARM状态：处理器执行32位的字对齐的令♦Thumb状态：处理器执行16位的、半字对齐的Thumb指令处理器工作状态的转变并不影响处理器的工作模式和相应寄存器中的内容。

I ARM微处理器的工作状态(2 )状态切换：BX {<cond>} <Rm><cond>指令的条件码。

忽略时无条件执行。

<Rm>子存器中为跳转的目标地址，当<Rm><存器的bit[O]为0时, 目标地址处的指令为ARM指令；当<Rm>^存器的bit[O]为1时，目标地址处的指令为Thumb 指令。

伪代码：if ConditionPassed(cond) thenT Flag=Rm[O]PC=Rm AND OxFFFFFFFEARM微处理器在复位或上电时处于ARM状态，发生异常时处于ARM状态。

右ARM体系结构的存储器格式(1)ARM体系结构所支持的最大寻址空间为4GB (2^字节)♦大端格式(Big Endian)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。

♦小端格式(Little Endian)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。

字地址字地址右ARM 体系结构的存储器格式(2)(0H)=0123H (4H)=4567H (8H)=89ABHBig Endian(0H)=3210H (4H)=7654H (8H)=BA98HLittle Endian右ARM 体系结构的存储器格式(3)8 9 AB4 5 6 7 0123一 “A ・■ • rO= 0x11223344 I 11 I 22 33 ： 44 ILittle endian Big endianR2 =异FI*右 ARM 体系结构的指令长度及数据宽度♦指令长度：32位（在ARM 状态下） 16位（在Thumb 状态下）♦数据宽度： 字节（8位） 半字（16位） 字（32位）三种数据宽度对存储器及外部设备的访问。

张凌001关于ARM的内核架构很多时候我们都会对M0，M0+,M3,M4，M7，arm7，arm9，CORTEX-A系列，或者说AVR,51，PIC等，一头雾水，只知道是架构，不知道具体是什么，有哪些不同？今天查了些资料，来解解惑，不是很详细，但对此有个大体了解。

咱先来当下最火的ARM吧1.ARMARM即以英国ARM（Advanced RISC Machines）公司的内核芯片作为CPU，同时附加其他外围功能的嵌入式开发板，用以评估内核芯片的功能和研发各科技类企业的产品.ARM 微处理器目前包括下面几个系列，以及其它厂商基于 ARM 体系结构的处理器，除了具有ARM 体系结构的共同特点以外，每一个系列的 ARM 微处理器都有各自的特点和应用领域。

－ ARM7 系列－ ARM9 系列－ ARM9E 系列－ ARM10E 系列－ ARM11系列－ Cortex 系列－ SecurCore 系列－ OptimoDE Data Engines－ Intel的Xscale－ Intel的StrongARM ARM11系列2. Cortex 系列32位RISCCPU开发领域中不断取得突破，其设计的微处理器结构已经从v3发展到现在的v7。

Cortex 系列处理器是基于ARMv7架构的，分为Cortex-M、Cortex-R和Cortex-A三类。

由于应用领域的不同，基于v7架构的Cortex处理器系列所采用的技术也不相同。

基于v7A的称为“Cortex-A系列。

高性能的Cortex-A15、可伸缩的Cortex-A9、经过市场验证的Cortex-A8处理器以及高效的Cortex-A7和Cortex-A5处理器均共享同一体系结构，因此具有完整的应用兼容性，支持传统的ARM、Thumb指令集和新增的高性能紧凑型Thumb-2指令集。

1Cortex-M系列Cortex-M系列又可分为Cortex-M0、Cortex-M0+、Cortex-M3、Cortex-M4；2Cortex-R系列Cortex-R系列分为Cortex-R4、Cortex-R5、Cortex-R7；3Cortex-A 系列Cortex-A系列分为Cortex-A5、Cortex-A7、Cortex-A8、Cortex-A9、Cortex-A15、Cortex-A50等 ，同样也就有了对应内核的Cortex-M0开发板、Cortex-A5开发板、Cortex-A8开发板、Cortex-A9开发板、Cortex-R4开发板等等。

目录第1章 ARM微处理器概述 51.1 ARM－Advanced RISC Machines 51.2 ARM微处理器的应用领域及特点 51.2.1 ARM微处理器的应用领域 51.2.2 ARM微处理器的特点 61.3 ARM微处理器系列 61.3.1 ARM7微处理器系列 61.3.2 ARM9微处理器系列 71.3.3 ARM9E微处理器系列 71.3.4 ARM10E微处理器系列 71.3.5 SecurCore微处理器系列 81.3.6 StrongARM微处理器系列 81.3.7 Xscale处理器 81.4 ARM微处理器结构 81.4.1 RISC体系结构 81.4.2 ARM微处理器的寄存器结构 91.4.3 ARM微处理器的指令结构 91.5 ARM微处理器的应用选型 101.6 本章小节10第2章 ARM微处理器的编程模型 112.1 ARM微处理器的工作状态 112.2 ARM体系结构的存储器格式 112.3 指令长度及数据类型 122.4 处理器模式 122.5 寄存器组织 132.5.1 ARM状态下的寄存器组织 132.5.2 Thumb状态下的寄存器组织 152.5.3 程序状态寄存器 162.6 异常（Exceptions） 182.6.1 ARM体系结构所支持的异常类型 182.6.2 对异常的响应 182.6.3 从异常返回 192.6.4 各类异常的具体描述 192.6.5 异常进入/退出小节 202.6.6 异常向量（Exception Vectors） 202.6.7 异常优先级（Exception Priorities） 212.6.8 应用程序中的异常处理 212.7 本章小节21第3章 ARM微处理器的指令系统 223.1 ARM微处理器的指令集概述 223.1.1 ARM微处理器的指令的分类与格式 223.1.2 指令的条件域 233.2 ARM指令的寻址方式 233.2.1 立即寻址 243.2.2 寄存器寻址 243.2.2 寄存器间接寻址 243.2.3 基址变址寻址 243.2.4 多寄存器寻址 253.2.5 相对寻址 253.2.6 堆栈寻址 253.3 ARM指令集 253.3.1 跳转指令 253.3.2 数据处理指令 263.3.3 乘法指令与乘加指令 303.3.4 程序状态寄存器访问指令 323.3.5 加载/存储指令 323.3.6 批量数据加载/存储指令 343.3.7 数据交换指令 353.3.8 移位指令（操作） 353.3.9 协处理器指令 363.3.10 异常产生指令 383.4 Thumb指令及应用 383.5 本章小节39第4章 ARM程序设计基础 404.1 ARM汇编器所支持的伪指令 404.1.1 符号定义（Symbol Definition）伪指令 404.1.2 数据定义（Data Definition）伪指令 414.1.3 汇编控制（Assembly Control）伪指令 434.1.4 其他常用的伪指令 454.2 汇编语言的语句格式 484.2.1 在汇编语言程序中常用的符号 494.2.2 汇编语言程序中的表达式和运算符 494.3 汇编语言的程序结构 524.3.1 汇编语言的程序结构 524.3.2 汇编语言的子程序调用 524.3.3 汇编语言程序示例 534.3.4 汇编语言与C/C++的混合编程 554.4 本章小节56第5章应用系统设计与调试 575.1 系统设计概述 575.2 S3C4510B概述 585.2.1 S3C4510B及片内外围简介 585.2.2 S3C4510B的引脚分布及信号描述 615.2.3 CPU内核概述及特殊功能寄存器（Special Registers） 675.2.4 S3C4510B的系统管理器（System Manager） 725.3 系统的硬件选型与单元电路设计 825.3.1 S3C4510B芯片及引脚分析 825.3.2 电源电路 835.3.3 晶振电路与复位电路 835.3.4 Flash存储器接口电路 855.3.5 SDRAM接口电路 895.3.6 串行接口电路 935.3.7 IIC接口电路 945.3.8 JTAG接口电路 955.3.9 10M/100M以太网接口电路 965.3.10 通用I/O接口电路 1005.4 硬件系统的调试 1015.4.1 电源、晶振及复位电路 1015.4.2 S3C4510B及JTAG接口电路 1025.4.3 SDRAM接口电路的调试 1035.4.4 Flash接口电路的调试 1055.4.5 10M/100M以太网接口电路 1055.5 印刷电路板的设计注意事项 1055.5.1 电源质量与分配 1055.5.2 同类型信号线的分布 1065.6 本章小节 106 第6章部件工作原理与编程示例 1076.1 嵌入式系统的程序设计方法 1076.2 部件工作原理与编程示例 1086.2.1 通用I/O口工作原理与编程示例 1086.2.2 串行通讯工作原理与编程示例 1116.2.3 中断控制器工作原理与编程示例 1206.2.4 定时器工作原理与编程示例 1236.2.5 GDMA工作原理与编程示例 1276.2.6 IIC总线控制器工作原理 1336.2.7 以太网控制器工作原理 138主要特性139MAC功能模块 140 带缓冲DMA接口（Buffered DMA Interface） 144以太网控制器特殊功能寄存器（Ethernet Controller Special Registers） 147MAC寄存器（Media Access Control（MAC）Register） 154以太网控制器的操作（Ethernet Controller Operation） 160发送一个帧（Transmitting a Frame） 162接收一个帧（Receiving a Frame） 1626.2.8 Flash存储器工作原理与编程示例 1626.3 BootLoader简介 1676.4 本章小节 167 第7章嵌入式uClinux及其应用开发 1687.1 嵌入式uClinux系统概况 1687.2 开发工具GNU的使用 1707.2.1 GCC编译器 1707.2.2 GNU Make 1727.2.3 使用GDB调试程序 1777.3 建立uClinux开发环境 1807.3.1 建立交叉编译器 1817.3.2 uClinux针对硬件的改动 1847.3.3 编译uClinux内核 1857.3.4 内核的加载运行 1877.4 在uClinux下开发应用程序 1887.4.1 串行通信 1907.4.2 socket编程 1957.4 .3 添加用户应用程序到uClinux 2027.4.4 通过网络添加应用程序到目标系统 2057.5 本章小结 207 第8章ARM ADS集成开发环境的使用 2098.1 ADS集成开发环境组成介绍 2098.1.1 命令行开发工具 2098.1.2 ARM运行时库 2188.1.3 GUI开发环境(Code Warrior和AXD) 2198.1.4 实用程序 2218.1.5 支持的软件 2218.2 使用ADS创建工程 2228.2.1 建立一个工程 2228.2.2 编译和链接工程 2258.2.3 使用命令行工具编译应用程序 2298.3 用AXD进行代码调试 2308.4 本章小结 233第1章 ARM微处理器概述本章简介ARM微处理器的一些基本概念、应用领域及特点，引导读者进入ARM技术的殿堂。

嵌入式系统基础课程教学大纲（EmbeddedMicroprocessorSystem）学时数：32其中：实验学时：0课外学时：0学分数：2适用专业：计算机科学与技术一、课程的性质、目的和任务本课程是计算机科学与技术专业本科生的一门专业选修课程。

通过本课程的学习，使学生掌握嵌入式系统的基础知识，熟悉典型的嵌入式微处理器及嵌入式操作系统，掌握嵌入式系统的一般设计方法与开发过程，具备初步的嵌入式系统的软硬件设计开发能力，为嵌入式系统的实际应用打下基础。

二、课程教学的基本要求（一）掌握嵌入式系统的基本概念、基本组成及发展、嵌入式处理器及嵌入式操作系统分类（二）掌握ARM嵌入式微处理器体系结构、ARM指令系统及ARM汇编语言（H）掌握嵌入式1inUX 操作系统内核结构及文件系统（四）掌握嵌入式系统的一般设计流程、典型开发环境及开发工具（五）掌握基于ARM嵌入式微处理器的典型接口设计（六）初步掌握基于嵌入式1inUX操作系统的软件设计三、课程的教学内容、重点和难点第一章嵌入式系统基础知识一、嵌入式系统简介二、嵌入式处理器第二章嵌入式系统一般设计方法一、嵌入式系统的层次结构二、嵌入式系统的设计流程第三章ARM处理器体系结构及指令系统一、ARM微处理器的体系结构二、指令系统三、基于ARM体系的汇编语言程序设计第四章基于ARM处理器的硬件平台设计一、基于微处理器的嵌入式系统的硬件设计二、存储系统的分析与设计三、通用I/O接口的设计第五章嵌入式1inux操作系统一、1i1IUX及其应用二、嵌入式1inux内核三、嵌入式1inUX文件系统第六章嵌入式1inux系统的Boot1oader设计一、Boot1oader的基本概念二、Boot1oader的具体实现重点：Boot1oader的基本概念难点：BOOt1Oader的具体实现第七章嵌入式1inux程序设计基础一、嵌入式1inUX开发基础二、1inUX的常用工具三、嵌入式1inUX操作系统的开发工具四、交叉开发环境重点：嵌入式1inUX操作系统的开发工具、难点：交叉开发环境第八章嵌入式1inux系统的驱动开发一、1inUX下的设备驱动程序简介二、设备驱动程序的开发过程三、典型设备驱动程序设计分析第九章嵌入式网络程序设计一、嵌入式以太网基础知识二、以太网接口设计三、1in1IX网络编程实现重点：以太网接口设计、1inUX网络编程实现难点：1inUX网络编程实现第十章嵌入式1inux图形用户界面编程一、1inux图形开发基础二、嵌入式1inIIX图形用户界面简介四、课程各教学环节要求（一）作业根据课程学习需要，安排适当课外作业。

ARM内核全解析，从ARM7,ARM9到Cortex-A7,A8,A9,A12,A15到Cortex-A53,A57前不久ARM正式宣布推出新款ARMv8架构的Cortex-A50处理器系列产品，以此来扩大ARM在高性能与低功耗领域的领先地位，进一步抢占移动终端市场份额。

Cortex-A50是继Cortex-A15之后的又一重量级产品，将会直接影响到主流PC市场的占有率。

围绕该话题，我们今天不妨总结一下近几年来手机端较为主流的ARM处理器。

以由高到低的方式来看，ARM处理器大体上可以排序为：Cortex-A57处理器、Cortex-A53处理器、Cortex-A15处理器、Cortex-A12处理器、Cortex-A9处理器、Cortex-A8处理器、Cortex-A7处理器、Cortex-A5处理器、ARM11处理器、ARM9处理器、ARM7处理器，再往低的部分手机产品中基本已经不再使用，这里就不再介绍。

ARM 处理器架构发展● Cortex-A57、A53处理器Cortex-A53、Cortex-A57两款处理器属于Cortex-A50系列，首次采用64位ARMv8架构，意义重大，这也是ARM最近刚刚发布的两款产品。

Cortex-A57是ARM最先进、性能最高的应用处理器，号称可在同样的功耗水平下达到当今顶级智能手机性能的三倍；而Cortex-A53是世界上能效最高、面积最小的64位处理器，同等性能下能效是当今高端智能手机的三倍。

这两款处理器还可整合为ARM big.LITTLE（大小核心伴侣）处理器架构，根据运算需求在两者间进行切换，以结合高性能与高功耗效率的特点，两个处理器是独立运作的。

应用案例：预计于2014年推出。

● Cortex-A15处理器架构解析ARM Cortex-A15处理器隶属于Cortex-A系列，基于ARMv7-A架构，是业界迄今为止性能最高且可授予许可的处理器。

Cortex-A15 MPCore处理器具有无序超标量管道，带有紧密耦合的低延迟2级高速缓存，该高速缓存的大小最高可达4MB。

ARM微处理器的指令系统ARM微处理器的指令系统介绍ARM指令集、Thumb指令集，以及各类指令对应的寻址方式，通过对本章的阅读，希望读者能了解ARM微处理器所支持的指令集及具体的使用方法。

本章的主要内容有：－ ARM指令集、Thumb指令集概述。

－ ARM指令集的分类与具体应用。

－ Thumb指令集简介及应用场合。

3.1 ARM微处理器的指令集概述3.1.1 ARM微处理器的指令的分类与格式ARM微处理器的指令集是加载/存储型的，也即指令集仅能处理寄存器中的数据，而且处理结果都要放回寄存器中，而对系统存储器的访问则需要通过专门的加载/存储指令来完成。

ARM微处理器的指令集可以分为跳转指令、数据处理指令、程序状态寄存器（PSR）处理指令、加载/存储指令、协处理器指令和异常产生指令六大类，具体的指令及功能如表3-1所示（表中指令为基本ARM指令，不包括派生的ARM指令）。

表3-1 ARM指令及功能描述3.1.2 指令的条件域当处理器工作在ARM状态时，几乎所有的指令均根据CPSR中条件码的状态和指令的条件域有条件的执行。

当指令的执行条件满足时，指令被执行，否则指令被忽略。

每一条ARM指令包含4位的条件码，位于指令的最高4位[31:28]。

条件码共有16种，每种条件码可用两个字符表示，这两个字符可以添加在指令助记符的后面和指令同时使用。

例如，跳转指令B可以加上后缀EQ变为BEQ表示“相等则跳转”，即当CPSR中的Z标志置位时发生跳转。

在16种条件标志码中，只有15种可以使用，如表3-2所示，第16种（1111）为系统保留，暂时不能使用。

表3-2 指令的条件码所谓寻址方式就是处理器根据指令中给出的地址信息来寻找物理地址的方式。

目前ARM指令系统支持如下几种常见的寻址方式。

3.2.1 立即寻址立即寻址也叫立即数寻址，这是一种特殊的寻址方式，操作数本身就在指令中给出，只要取出指令也就取到了操作数。

这个操作数被称为立即数，对应的寻址方式也就叫做立即寻址。

arm原理图ARM原理图是指ARM处理器的电路原理图，它是ARM处理器设计的基础，也是ARM处理器的核心部分。

ARM处理器是一种精简指令集（RISC）处理器，广泛应用于移动设备、嵌入式系统、智能手机、平板电脑等领域。

ARM原理图的设计对于ARM处理器的性能、功耗、面积等方面具有重要影响，因此对ARM原理图的设计和优化是非常重要的。

ARM原理图的设计需要考虑多个方面的因素，包括指令集架构、流水线设计、缓存结构、总线结构、寄存器文件、协处理器等。

在ARM原理图的设计过程中，需要充分考虑这些因素，并根据应用场景和性能要求进行合理的选择和优化。

同时，还需要考虑功耗和面积的限制，尽量在保证性能的前提下，降低功耗和面积。

在ARM原理图的设计中，指令集架构是一个非常重要的部分。

ARM处理器采用的是精简指令集（RISC）架构，指令集精简、统一、规范，这使得ARM处理器具有高效的指令执行能力和低功耗特性。

在ARM原理图的设计中，需要充分考虑指令集架构的优化，包括指令执行的流水线设计、指令的编解码、指令的调度和执行等方面。

另外，缓存结构也是ARM原理图设计中的重要部分。

缓存对于处理器的性能有着重要的影响，合理的缓存结构设计可以有效提高处理器的性能。

在ARM原理图的设计中，需要考虑缓存的大小、组织方式、替换策略、预取策略等因素，以实现对内存访问的高效管理。

总线结构和寄存器文件也是ARM原理图设计中需要重点考虑的部分。

总线结构的设计直接影响了处理器与外部设备的数据传输效率，寄存器文件的设计则直接影响了处理器的寄存器操作能力。

在ARM原理图的设计中，需要充分考虑这些部分的优化，以实现高效的数据传输和寄存器操作。

此外，协处理器的设计也是ARM原理图设计中需要重点考虑的部分。

协处理器可以扩展处理器的功能，提高处理器的性能和灵活性。

在ARM原理图的设计中，需要充分考虑协处理器的设计和接口，以实现对外部设备的高效扩展和处理。

综上所述，ARM原理图的设计是一个复杂而重要的工作，需要充分考虑指令集架构、缓存结构、总线结构、寄存器文件、协处理器等多个方面的因素。

arm体系结构特点
ARM 体系结构是一种广泛使用的 32 位微处理器体系结构，具有以下特点：
1. 简单的指令集：ARM 指令集是一种 RISC（精简指令集计算机）指令集，它具有固定长度的指令和简单的指令格式。

这种简单的指令集可以提高指令的执行速度和效率，同时也可以减少指令的解码时间。

2. 高效的流水线：ARM 体系结构采用了高效的流水线技术，可以在一个时钟周期内执行多条指令。

这种流水线技术可以提高指令的执行速度和效率，从而提高处理器的性能。

3. 低功耗设计：ARM 体系结构采用了低功耗设计，可以在不影响性能的情况下降低处理器的功耗。

这种低功耗设计对于移动设备和嵌入式系统非常重要，可以延长设备的电池寿命。

4. 可扩展性：ARM 体系结构具有很好的可扩展性，可以通过增加更多的寄存器和指令来扩展处理器的功能。

这种可扩展性可以满足不同应用的需求，例如多媒体处理、网络通信等。

5. 支持Thumb 指令集：ARM 体系结构还支持 Thumb 指令集，这是一种 16 位的指令集。

Thumb 指令集可以在不损失性能的情况下减少代码的大小，从而节省存储空间。

6. 强大的异常处理机制：ARM 体系结构具有强大的异常处理机制，可以处理各种硬件和软件异常。

这种异常处理机制可以提高系统的可靠性和稳定性。

总之，ARM 体系结构具有简单的指令集、高效的流水线、低功耗设计、可扩展性、支持Thumb 指令集和强大的异常处理机制等特点，这些特点使得 ARM 体系结构成为了移动设备和嵌入式系统领域的主流处理器体系结构。

ARMv7的Cortex系列微处理器技术特点摘要ARMv7是目前ARM处理器体系结构的最高版本。

本文介绍了基于ARMv7的最新ARM微处理器Cortex系列，描述了该系列处理器的技术细节，同时重点论述了Cortex-R、Cortex-A、Cortex-M系列处理器的技术特点。

最后，对不同系列处理器的应用领域作了进一步的阐述。

关键词ARMv7 体系结构Cortex-R Cortex-A Cortex-M 引言 随着嵌入式技术应用领域的不断扩展，对嵌入式系统的要求越来越高，而作为嵌入式系统核心的微处理器也面临日益严竣的挑战。

ARM公司从成立以来，一直以知识产权(IP，Intelligence Property)提供者的身份出售知识产权，在32位RISC CPU开发领域中不断取得突破，其设计的微处理器结构已经从v3发展到现在的v7。

Cortex系列处理器是基于ARMv7架构的，分为Cortex- M、Cortex-R和Cortex-A三类。

ARM系列微处理器的核心及体系结构如表l所列。

1 ARM Correx处理器技术特点 ARMv7架构是在ARMv6架构的基础上诞生的。

该架构采用了Thumb-2技术，它是在ARM的Thumb代码压缩技术的基础上发展起来的，并且保持了对现存ARM解决方案的完整的代码兼容性。

Thumb-2技术比纯32位代码少使用31%的内存，减小了系统开销，同时能够提供比已有的基于Thumb技术的解决方案高出38%的性能。

ARMv7架构还采用丁NEON技术，将DSP和媒体处理能力提高了近4倍。

并支持改良的浮点运算，满足下一代3D图形、游戏物理应用以及传统嵌入式控制应用的需求。

此外，ARMv7还支持改良的运行环境，以迎合不断增加的JIT(Just In Time)和DAC(DynamicAdaptlve Compilation)技术的使用。

在与早期的ARM处理器软件兼容性方而，ARMv7架构在设计时充分考虑到了。