《ARM体系结构cha》课件

体系结构ARM体系结构是一种广泛应用于嵌入式系统、移动设备和服务器的处理器架构ARM它以低功耗、高性能和灵活的特性而闻名体系结构简介ARM体系结构是一种广泛应用于嵌入式系统和移动设备的（精简指令集计算ARM RISC机）体系结构它以低功耗、高性能和可扩展性而闻名，在智能手机、平板电脑、物联网设备和工业控制系统中得到了广泛应用处理器的发展历程ARM早期阶段1983-1990架构的早期发展，以为代表，主要应用于嵌入式系统，例如手机和ARM ARM2PDA快速发展阶段1991-2000架构开始广泛应用于各种嵌入式系统，并扩展到移动设备领域，例如手机、平板电脑等ARM成熟阶段2001-至今架构已成为最受欢迎的嵌入式系统处理器架构，其应用领域涵盖了物联网、智能家居、汽车电子等ARM处理器的架构特点ARM1精简指令集2负载/存储架构处理器采用精简指令集，指处理器采用负载存储架构ARM ARM/令集较小，执行速度快，适用，数据必须先加载到寄存器中于嵌入式系统，然后才能进行运算，提高了数据访问效率流水线技术低功耗设计34处理器采用流水线技术，将处理器采用低功耗设计，适ARM ARM指令执行分成多个阶段，同时用于移动设备、物联网设备等执行多个指令，提高了指令执行效率指令集体系结构ARM指令集概述指令集分类指令集特点指令集是处理器执行的指令的集合指令集可分为指令集和指令集高效ARM ARM ARM ARM Thumb•它定义了指令的语法、语义和执行方式指令集使用位指令，而指令集ARM32Thumb紧凑•指令集的种类繁多，包括数据处理指令使用位指令指令集比指令集更ARM16Thumb ARM灵活•、数据传输指令、状态控制指令等紧凑，更适合嵌入式系统指令的分类ARM数据处理指令数据传输指令分支指令状态控制指令进行算术、逻辑、移位操作等用于数据在内存和寄存器之间改变程序执行流程，例如跳转控制处理器状态，例如设置状运算，例如加、减、乘、除、进行传递，例如加载、存储、、条件跳转、循环等操作态寄存器、改变处理器模式等与、或、异或等操作移动等操作操作指令的执行流程ARM获取指令1从内存中取出下一条指令指令解码2解析指令的操作码和操作数指令执行3根据指令类型执行相应操作结果写入4将执行结果写入寄存器或内存指令执行流程主要分为四个步骤获取指令、指令解码、指令执行和结果写入每个步骤都包含一系列的子操作，例如，在指令解码步骤中，需ARM要将指令的操作码和操作数分别解析出来，以便后续的指令执行操作同时，在结果写入步骤中，需要根据指令类型将执行结果写入相应的寄存器或内存地址寄存器组织ARM通用寄存器程序状态寄存器PSR处理器提供个通用寄存器，用于存储数据和地址它们可保存处理器状态信息，包括条件码、中断使能和模式位它在ARM16PSR以用于各种操作，包括算术、逻辑和内存访问程序执行过程中维护程序的状态特殊功能寄存器SFR栈指针SP用于控制和管理处理器的各种功能，例如中断、异常处理和内指向堆栈的当前位置，用于存储函数调用参数、局部变量和返回SFR SP存管理值存储器访问方式ARM寻址方式处理器支持多种寻址方式，包括寄存器直接寻址、寄存器间接ARM寻址、基址加偏移寻址、相对寻址、自增寻址、自减寻址等这些寻址方式提供了灵活性和效率，可以根据不同的应用场景选择合适的寻址方式来访问内存数据中断处理机制ARM中断类型中断处理流程中断优先级中断向量表外部中断处理器识别中断源，保存当前多个中断源同时发生时，根据存放各个中断处理程序的地址•程序状态，跳转到中断处理程优先级决定哪个中断先被处理，用于快速找到对应中断的处内部中断•序，执行中断处理，恢复程序理程序状态，返回中断发生点异常处理机制ARM

11.异常类型

22.异常处理流程架构支持多种异常类型，包当发生异常时，处理器会保存ARM括中断、数据或指令访问错误当前状态，跳转到异常向量表、调试异常等，执行相应的异常处理程序

33.异常向量表

44.异常返回异常向量表包含了每个异常类异常处理程序完成后，处理器型对应的异常处理程序的地址会恢复之前保存的状态，返回，是异常处理机制的核心到发生异常的指令处继续执行ARM访存指令ARM加载指令存储指令寻址模式数据对齐从内存中读取数据到寄存器将寄存器中的数据写入内存支持多种寻址模式，例如立要求数据对齐访问，提高数ARM ARM即寻址、寄存器寻址、基址加据访问效率偏移寻址等数据传输指令ARMLDR/STR LDM/STM用于从内存中加载数据到寄存用于将多个数据从内存加载LDR LDM器，用于将寄存器中的数据存到寄存器组，用于将多个寄STR STM储到内存中存器组的数据存储到内存中其他指令SWP用于在原子操作中交换寄存包括、用SWP LDRB/STRB LDRH/STRH器和内存位置的值，确保数据的于处理字节和半字数据的传输完整性算术逻辑指令ARM加法指令减法指令乘法指令除法指令加法指令用于执行两个操减法指令用于执行两个操乘法指令用于执行两个操除法指令用于执行两个操ARM ARM ARM ARM作数的加法运算，并将结果存作数的减法运算，并将结果存作数的乘法运算，并将结果存作数的除法运算，并将结果存储到目标寄存器中储到目标寄存器中储到目标寄存器中储到目标寄存器中例如，指令将两个寄存器例如，指令将两个寄存器例如，指令将两个寄存器例如，指令将两个寄存ADD SUBMUL SDIV的内容相加，并将结果存储到的内容相减，并将结果存储到的内容相乘，并将结果存储到器的内容相除，并将结果存储第三个寄存器中第三个寄存器中第三个寄存器中到第三个寄存器中移位指令ARM逻辑左移逻辑右移算术右移逻辑左移指令将操作数的位向左移动指定的逻辑右移指令将操作数的位向右移动指定的算术右移指令将操作数的位向右移动指定的位数，空缺位用填充位数，空缺位用填充位数，空缺位用符号位填充00状态控制指令ARM状态控制指令概述常用状态控制指令状态控制指令用于控制处理器的工作状态，例如启用或禁指令用于更改处理器模式，可以切换到用户模式、系统模式ARM CPS用中断，设置处理器模式等或其他模式这些指令可以影响程序执行流程，例如切换处理器模式或改变和指令用于读取和写入寄存器，包含处理MRS MSRCPSR CPSR处理器的工作状态器状态信息流水线机制ARM指令获取1从内存中获取指令，准备执行指令译码2将指令转换为机器码，准备执行执行3执行指令操作，完成指令功能访存4访问内存，加载或存储数据写回5将执行结果写入寄存器或内存乘法和除法指令ARM乘法指令除法指令寄存器操作提供多种乘法指令，支持不同数据类型的除法指令用于执行整数除法操作乘法和除法指令通常将结果存储在指定的寄ARM ARM的乘法操作存器中数据处理指令ARM

11.算术运算指令

22.逻辑运算指令用于执行加法、减法、乘法和用于执行与、或、异或、非等除法等运算逻辑运算

33.位操作指令

44.比较指令用于执行位移、旋转和屏蔽等用于比较两个操作数的大小，操作设置条件码分支指令ARM条件分支无条件分支根据条件码的值决定是否跳转到直接跳转到目标地址，无论条件目标地址，实现条件执行码的值如何子程序调用子程序返回将当前指令地址压入堆栈，跳转从堆栈中弹出返回地址，跳转回到子程序的入口地址调用程序协处理器指令ARM协处理器功能扩展指令格式12协处理器指令用于扩展处理器的功能，支持更强大的功协处理器指令通常包含协处理器编号、操作码、数据类型和ARM能，如浮点运算、数字信号处理等操作数等信息协处理器寄存器协处理器访问方式34协处理器拥有自己的寄存器集，用于存储操作数和中间结果通过特定的指令访问协处理器寄存器，完成数据处理和操作指令ARM SIMDSIMD简介ARM SIMD扩展（单指令多数据）指令集可以同时对多个数据进行操作，提高处理器提供多种扩展，如、等，支持不同的数SIMD ARMSIMD NEONSVE数据处理效率据类型和操作向量运算应用场景指令可以执行向量运算，例如加法、减法、乘法和比较等操作指令适用于图像处理、视频编码、数字信号处理等需要大量数SIMD SIMD据处理的应用场景指令集ARMThumb指令长度指令集设计执行效率指令集中的指令长度为位专门为嵌入式系统和资源受限设备设计比指令集更小，执行效率更高Thumb16ARM系列处理器ARM Cortex-A高性能应用应用场景产品系列系列处理器专为高性系列处理器在各种应系列处理器包含各种Cortex-A Cortex-A Cortex-A能应用而设计，包括智能手机用中发挥着重要作用，例如移产品，例如、Cortex-A

5、平板电脑、服务器和嵌入式动设备、物联网设备、工业自、、Cortex-A7Cortex-A9系统动化和数据中心和Cortex-A15Cortex-A72它们支持多种功能，例如多核它们以其低功耗、高性能和可每个产品都针对不同的性能和处理、虚拟化和高级安全功能扩展性而闻名功耗要求进行了优化系列处理器ARM Cortex-R高性能实时处理广泛应用于实时系统独特功能系列处理器针对实时应用进行了优系列处理器被广泛应用于汽车电子内存保护单元Cortex-R Cortex-R•MPU化，具有高性能、低延迟和确定性等特点，、工业控制、网络设备、医疗设备等需要实嵌套向量中断控制器•NVIC适用于工业自动化、汽车电子和网络通信等时处理的领域，确保系统稳定可靠运行硬件调试功能•领域系列处理器ARM Cortex-M应用系列处理器广泛应用于各种嵌入式系统，例如物联网设Cortex-M备，消费电子产品，工业自动化和医疗设备特点系列处理器专为微控制器应用设计，特点是低功耗，小Cortex-M尺寸，高性能和低成本，可用于各种嵌入式系统处理器在嵌入式系统中的应用ARM移动设备汽车电子工业控制医疗设备处理器广泛应用于智能手机汽车电子控制系统、仪表盘、处理器应用于工业自动化、医疗设备中，处理器用于控ARM ARM ARM、平板电脑等移动设备，提供车载娱乐系统等都采用处理机器人控制、过程控制等领域制仪器、处理数据、进行实时ARM低功耗、高性能的计算能力器，满足汽车电子对可靠性和，提供可靠、高效的控制方案监测，提高医疗设备的精度和实时性的要求可靠性虚拟化技术ARMARM虚拟化技术概述ARM虚拟化技术优势虚拟化技术允许在单个处理器上运行多个操作系统或提高资源利用率，降低功耗，增强安全性，支持多种操作系统ARM ARM应用程序，提高资源利用率，降低成本，广泛应用于移动设备、嵌入式系统和云计算ARM虚拟化技术类型ARM虚拟化技术未来主要包括全虚拟化和半虚拟化，全虚拟化提供完整的虚拟化环随着云计算和移动设备的发展，虚拟化技术将得到更广泛ARM境，半虚拟化需要修改操作系统内核才能运行的应用，并不断完善和发展安全技术ARM硬件安全软件安全安全漏洞修复处理器设计包含安全功能，如内存保护支持各种密码算法，包括、和积极参与安全漏洞修复工作，及时发布ARM ARMAES RSAARM单元和技术，为关键代，以确保数据机密性和完整性安全补丁以解决潜在漏洞，保障系统安全MPU TrustZoneSHA码和数据提供保护处理器的未来发展趋势ARM

11.高性能计算

22.人工智能处理器将继续提升性能，满处理器将更适合人工智能应ARMARM足对高性能计算的需求用，并提供更高效的加速功AI能

33.低功耗设计

44.安全性增强处理器将进一步优化功耗，处理器将加强安全功能，以ARMARM以满足移动设备和物联网应用应对不断增长的网络安全威胁的需求总结高性能和低功耗广泛应用持续创新体系结构在性能和功耗方面取得了从智能手机和平板电脑到物联网设备和持续发展其体系结构，引入新的功ARMARM显著的平衡，使其成为各种应用的理想服务器，处理器已成为当今嵌入式能和技术，以满足不断增长的计算需求ARM选择系统和移动设备的行业标准。