[工学]浙江大学ARM课件

体系结构概述ARM处理器核心类型ARMARMv7-A ARMv7-R适用于高性能应用，例如智能手专为实时嵌入式系统设计，例如机和平板电脑汽车和工业控制系统ARMv8-A支持位计算，并提供更高的性能和效率64指令集结构ARM指令集指令集指令集Thumb ARMAArch64位指令集，更小更紧凑，适用于代码空间位指令集，提供更强大的功能，用于更位指令集，为高性能计算提供更大的地163264有限的嵌入式应用复杂的任务址空间和更快的执行速度寄存器组织ARM通用寄存器程序状态寄存器用于存储程序数据和地址，包括保存程序状态，如进位标志、零标志R0-，分别为堆栈指针、链接、负数标志等R15R13-R15寄存器和程序计数器内存管理寄存器用于管理内存空间，如页表基址寄存器、页表访问控制寄存器等指令格式ARM操作码1指令的操作码指示了指令的操作类型，例如加、减、移位等操作数2操作数是指令执行的操作对象，例如寄存器、立即数等条件码3条件码用于判断指令执行结果是否满足特定的条件，只有满足条件才会执行指令指令分类ARM数据处理指令数据传输指令用于执行算术、逻辑和位操作用于在寄存器和内存之间移动数据程序控制指令异常处理指令用于控制程序执行流程，如跳转用于处理异常情况，如中断、故、分支、条件执行等障、异常等指令执行流程ARM取指1从内存中读取下一条指令译码2将指令转换为可执行的操作码CPU执行3根据操作码执行相应的操作写回4将结果写入寄存器或内存异常处理机制ARM异常类型异常处理流程异常向量表处理器支持多种异常，包括数据异常当异常发生时，处理器会保存当前状态，异常向量表是一个特殊的内存区域，ARM ARM、指令异常、中断、系统调用等并跳转到相应的异常处理程序，处理完异它包含指向每个异常处理程序的地址处常后，处理器会恢复到之前状态，继续执理器在发生异常时，会根据异常类型，从行程序异常向量表中找到相应的处理程序地址中断机制ARM中断请求中断处理外部设备或软件事件触发中断请求处理器响应中断请求，保存当前状态，跳转到中断处理程序中断返回中断处理程序完成后，恢复之前保存的状态，返回到中断发生前的指令内存寻址方式ARM寄存器直接寻址立即数寻址12从寄存器中直接获取操作数地操作数直接包含在指令中址寄存器间接寻址基址加偏移量寻址34寄存器内容作为操作数地址基址寄存器内容加上偏移量环境模式ARM用户模式内核模式用于运行大多数应用程序，具有操作系统内核运行模式，拥有完有限的系统资源访问权限全的系统资源访问权限系统模式异常模式用于系统初始化和硬件配置，具用于处理异常情况，例如中断或有与内核模式相同的权限错误，具有特殊权限上电引导过程ARM复位状态系统上电后，CPU处于复位状态，所有寄存器清零引导加载程序CPU从预设的地址（通常是0x00000000）加载引导加载程序（Bootloader）初始化硬件引导加载程序初始化系统硬件，包括内存、时钟、中断控制器等加载操作系统引导加载程序将操作系统内核加载到内存并启动操作系统低功耗模式ARM睡眠模式待机模式深度睡眠模式降低功耗，保存上下文更低功耗，不保存上下文最低功耗，关闭所有模块外设接口ARM处理器通过外设接口与外部设备进行通信常见的外设ARM ARM接口包括通用同步异步收发器、串行外设接口、并UART SPI行外设接口、总线、总线、以太网接口等PPI I2C CAN这些接口支持不同类型的通信协议，如异步串行通信、同步串行通信、并行通信等开发者可以选择适合特定设备的接口，以实现数据传输和控制功能内核之间通信ARM共享内存消息传递中断多个内核可以访问同一个内存空间，内核之间通过发送和接收消息来传递信息一个内核可以通过中断信号通知另一个内ARM通过共享内存区域进行数据交换，如邮箱机制或管道机制核事件发生，触发特定的处理流程体系结构优势ARM低功耗高性能架构处理器在功耗控制方面架构处理器以其高效的指令ARM ARM表现出色，使其成为移动设备和集和优化的体系结构而闻名，在嵌入式系统的理想选择性能方面表现出色可扩展性成本效益架构处理器可轻松扩展以满架构处理器通常比其他架构ARM ARM足各种应用的需求，从小型嵌入的处理器更便宜，使其成为成本式系统到高性能服务器敏感型应用的理想选择硬件加速模块ARMNeon FPU加速媒体处理和信号处理提高浮点运算效率GPU增强图形处理能力软件开发环境ARM集成开发环境编译器和链接器调试器IDE例如、例如、、例如调试器、调Keil uVisionIAR EmbeddedARM GCCARM Compiler5/6ARM JTAG ARM GDB、等它们将开发者编写的源试器等它们允许开发者在系统上Workbench ARMDeveloper StudioARM LLVMARM等它们提供代码编辑、编译、调试、仿代码转换为处理器可执行的机器代运行和调试程序，并提供内存、寄存器、ARM真等功能，方便开发者进行软件开码断点等调试功能ARM发系统移植方法ARM交叉编译工具链1使用交叉编译工具链将应用程序编译成指令集ARM内核配置2根据硬件平台定制内核配置，支持所需的硬件驱动引导加载程序3移植引导加载程序，启动操作系统并加载应用程序文件系统4移植文件系统，提供应用程序运行所需的环境软件优化技术ARM代码优化内存优化循环展开、指令重排、函数内联等缓存利用、数据预取、内存对齐等性能分析性能指标分析、瓶颈定位、优化效果评估等系统调试方法ARM调试仿真器调试软件调试器JTAG调试是系统调试的一种常用方法仿真器是一种硬件设备，可以模拟目标系统软件调试器是一种软件工具，可以帮助开发JTAG ARM，它通过边界扫描测试技术来访问目标系统的硬件环境，并提供调试功能人员在代码中设置断点、单步执行代码、查看变量值等系统性能分析ARM12性能指标性能测试工具CPU利用率、内存使用、I/O吞吐量性能分析器、性能监控工具34优化策略性能调优代码优化、缓存优化、并行处理性能瓶颈分析、优化措施实施系统电源管理ARM功耗优化电源管理策略降低系统功耗，延长电池续航时动态调整频率、电压，根据CPU间，提高系统效率负载情况进行电源管理电源管理芯片功耗分析工具使用专门的电源管理芯片，控制使用工具分析系统功耗，识别耗系统电源，实现高效的电源管理电模块，优化电源管理策略系统可靠性设计ARM硬件可靠性软件可靠性系统可靠性使用高质量元器件，进行严格的测试和验采用成熟的软件开发方法，进行代码审查设计冗余备份机制、错误检测和恢复机制证，保证硬件的可靠性、单元测试、系统测试等，确保软件的稳，提高系统整体可靠性定性系统安全防护ARM数据加密安全启动安全内存访问使用加密算法对敏感数据进行加密，防止未确保系统启动过程的完整性和安全性，防止控制对内存的访问权限，防止非法访问和数授权访问恶意软件攻击据泄露系统模拟仿真ARM系统模拟仿真是指使用软件工具模拟系统硬件和软件的行为，可以在ARM ARM没有真实硬件的情况下进行系统开发和调试模拟仿真可以帮助开发者早期发现设计缺陷，降低开发成本，提高开发效率常见的系统模拟仿真工具包括、、等ARM QEMUARMulator SystemC系统未来趋势ARM云计算和边缘计算的融合，、物联网和人工智能的快速低功耗和高性能的架构将异构计算和硬件加速将成为5GARM将成为关键角色发展将推动应用场景的扩助力节能环保目标的实现系统发展的重点方向ARM ARM ARM展系统设计实践ARM需求分析明确系统功能、性能和资源需求架构设计选择合适的ARM处理器和外设，设计系统架构硬件选型根据需求选择合适的ARM芯片和外设软件开发编写驱动程序、应用程序和系统软件系统调试使用仿真器、调试工具进行系统调试系统测试进行系统测试，验证系统功能和性能系统优化优化系统性能，降低功耗和提高可靠性系统开发案例ARM智能家居工业控制处理器广泛应用于智能家处理器在工业自动化、机ARM ARM居设备中，例如智能音箱、智能器人控制等领域发挥着重要作用门锁、智能照明等，提供实时性高、可靠性强的控制方案医疗设备处理器在医疗设备中扮演着关键角色，例如医疗影像设备、便携式ARM医疗诊断仪器等系统总结与展望ARM高效性可扩展性架构以其高性能、低功耗而架构支持多种处理器核心，ARMARM著称，广泛应用于各种嵌入式系可根据应用需求进行灵活选择，统和移动设备满足不同性能和功耗要求生态系统生态系统强大，拥有丰富的软件、硬件资源，为开发者提供便利的开ARM发环境问答互动与讨论通过课堂互动和讨论，加深对体系结构的理解，解决学习过程中的疑问，促进知识的掌握和应用ARM。