《ARM硬件结构》课件

硬件结构ARM本节课介绍架构的硬件组成ARM从处理器核心到外设，涵盖了系统的主要硬件模块ARM ARM处理器简介ARM高性能低功耗架构设计应用广泛处理器以其高性能和低功耗而闻名，处理器采用精简指令集架构从智能手机和平板电脑到工业控制系统和ARM ARM广泛应用于移动设备、嵌入式系统和物联（），指令集简单、执行效率高，有汽车电子，处理器在各个领域都发挥RISC ARM网等领域利于降低功耗和提高性能着重要作用处理器架构分类ARM应用处理器微控制器针对通用计算任务优化，例如智能手机、平板主要用于嵌入式系统，例如汽车、工业设备等电脑等图形处理器网络处理器专为图形处理和加速任务而设计，例如游戏、针对网络通信优化，例如路由器、交换机等视频等指令集架构ARM指令集类型指令格式

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22.指令集分为两种指令集采用固定长度的ARM ARM指令集和指令位指令格式，每个指令包Thumb ARM32集，指令集更紧凑，含操作码、操作数和地址信Thumb而指令集更强大息ARM指令类型指令集版本

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44.指令集包含各种类型的指令集不断更新，最新ARM ARM指令，例如数据传输、算术运版本为，引入了新ARMv8-A算、逻辑运算、条件执行、跳的指令集扩展，增强了性能和转、中断处理等功能系列处理器ARM6系列处理器是公司推出的早期处理器架构，在年代被广泛应ARM6ARM1990用于嵌入式系统和移动设备系列处理器主要包括和，它们拥有更强大的指令集ARM6ARM610ARM620和改进的性能，例如支持浮点运算和指令集Thumb系列处理器在当时带来了显著的性能提升，为移动设备的快速发展奠定ARM6了基础系列处理器ARM7系列处理器是公司推出的一系列低功耗、高性能处ARM7ARM理器系列处理器广泛应用于各种嵌入式设备，例如手ARM7机、数码相机、播放器等MP3系列处理器通常具有以下特点低功耗、高性能、成本ARM7低、易于集成等系列处理器ARM9系列处理器是公司于年发布的处理器架构，它ARM9ARM2000是系列的后续版本系列处理器在性能、功耗和成ARM7ARM9本方面都比系列有所提升系列处理器采用了更高ARM7ARM9效的流水线设计和更快的时钟频率，从而提高了性能同时，系列处理器还采用了更先进的工艺技术，降低了功耗和成ARM9本系列处理器在嵌入式系统、移动设备、消费电子产品ARM9等领域都有广泛的应用系列处理器分为和两个版本ARM9ARM9E ARM9TDMI版本是系列的标准版本，而版本则ARM9E ARM9ARM9TDMI支持指令集扩展指令集扩展可以让程序代码变Thumb Thumb得更小，从而降低了内存占用和功耗系列处理器还支持ARM9多种外设接口，例如串行接口、并行接口、定时器、中断控制器等，方便用户开发各种应用程序系列处理器ARM11高性能改进的架构广泛应用开发支持处理器采用位架构，处理器架构经过优化，处理器广泛应用于各种处理器拥有丰富的开发ARM1132ARM11ARM11ARM11拥有更强大的处理能力，能够例如指令流水线和缓存机制，嵌入式设备，例如智能手机、工具和资源，为开发者提供便满足更高性能需求的应用提高了执行效率和数据访问速平板电脑、网络设备等利的开发环境度系列处理器ARM Cortex-A系列处理器是高性能处理器，应用于移动设备、嵌入式系统ARM Cortex-A和服务器系列处理器具有高性能、低功耗的特点，并支持多种功Cortex-A能，例如虚拟化、安全性和多媒体处理该系列处理器在移动设备和嵌入式系统中得到广泛应用，例如智能手机、平板电脑、机顶盒和工业控制系统系列处理器ARM Cortex-R系列处理器专为实时应用设计，如电机控制、汽ARM Cortex-R车电子和工业自动化该系列处理器具有高性能、低功耗和确定性响应时间等特点，适合需要实时数据处理和高精度控制的应用场景系列处理器通常配备硬件加速器，例如浮点运算单元Cortex-R和数字信号处理引擎，以提升性能和效率此外，该系列处理器还支持多种安全功能，例如内存保护和加密引擎，以确保系统安全性和可靠性系列处理器ARM Cortex-M系列处理器专门针对微控制器应用而设计，具有高性能、低ARM Cortex-M功耗和紧凑的特性它们通常用于嵌入式系统，例如汽车、工业自动化和物联网设备系列拥有广泛的型号，涵盖不同的性能和功能要求这些处理器包Cortex-M含专门针对特定应用优化的功能，例如数字信号处理（）和安全增强功DSP能架构处理器ARMv8-A位架构性能提升64架构处理器支持架构引入了新的指令ARMv8-A64ARMv8-A位指令集，提供更大的地址空间集和硬件优化，显著提升了处理和数据处理能力，适用于高性能器性能，例如增强了分支预测和计算、数据中心等应用缓存机制虚拟化支持安全特性架构支持硬件虚拟架构增加了安全扩ARMv8-A ARMv8-A化，允许在一个物理处理器上运展，例如技术，可TrustZone行多个虚拟机，提高资源利用率以隔离敏感数据和代码，增强系和安全性统安全性架构处理器ARMv8-R实时应用优化安全特性增强ARMv8-R架构处理器专为实时应用而设计，例如工业自动化和汽车电子该架构提供低延迟、高ARMv8-R架构处理器包含增强安全特性，例如内存保护单元和硬件加密引擎，以确保系统和数据性能和确定性执行，以满足实时系统的严格要求的完整性这对于安全关键型应用程序至关重要架构处理器ARMv8-M面向嵌入式应用核心特性架构处理器专门为嵌入式系支持位和位指令集，可以根据应ARMv8-M3264统设计，具有低功耗、高性能和安全性用需求选择合适的指令集的特点内置安全扩展，可以增强嵌入式系统的适用于设备、工业自动化、医疗设安全性，抵御恶意攻击IoT备等领域总线协议AMBA高级微系统总线架构协议规范AMBA是公司定义的一种片上系统总定义了总线协议的标准规范，包括AMBA ARMAMBA线标准它提供了一个灵活的架构，允许信号、时序和协议规则这些规范确保了将不同的组件连接到处理器不同组件之间的互操作性ARM总线类型AMBA定义了不同类型的总线，例如、和不同类型的总线针对不同的应用AMBA AHBAPB AXI需求，提供不同的性能和特性总线协议AXI高性能同步传输总线协议是公司推出的高性总线使用同步传输方式，提高数AXI ARMAXI能、高带宽总线协议据传输效率多主控可扩展性总线支持多个主控设备同时访问总线可扩展性强，支持各种不同AXI AXI内存和其他外设的系统配置总线协议ACE高性能总线灵活扩展

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22.总线协议是一种高性能、低延迟的总线协议支持多主控和多从控，并ACE ACE通信协议，旨在满足处理器和片提供灵活的配置选项，以满足各种系统ARM上系统中高速外设的连接需求架构的设计需求SoC低功耗广泛应用

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44.总线协议通过优化数据传输和控制总线协议广泛应用于处理ACE ACEARM信号，可以有效降低功耗，适合各种应器、和嵌入式系统，例如移动设SoC用场景备、物联网和工业自动化总线协议AHB高性能总线协议优势总线是公司定义的高性能总线总线提供了更高的带宽和更快的响AHB ARMAHB协议，广泛应用于嵌入式系统，适用于应速度，使得高速外设能够与处理器进高速设备连接行高效的数据交换它支持数据传输速率高达，并同时，总线还支持多种数据传输模500MHz AHB提供了先进的特性，如突发传输、错误式，可以满足不同外设的传输需求检测和纠正总线协议APB异步周边总线协议异步传输主从架构用于连接低速外设，如、、使用异步时钟，发送器和接收器可以总线采用主从架构，主控制器负UART I2C APB APB APB，与相比，具有较低的带宽工作在不同的时钟频率上责控制数据传输，从设备响应请求SPI AHBAPBAPB和更高的延迟，但更简单且功耗更低内存管理单元ARM虚拟内存内存访问控制地址转换内存映射内存管理单元（）允许通过内存访问控制机制将逻辑地址转换为物理支持各种内存映射模MMU MMU MMUMMU处理器使用虚拟内存，从保护操作系统内核和用户程序地址，以便处理器访问实际的式，包括线性映射、分页映射ARM而提高内存效率并增强系统安之间的隔离，防止数据被非法内存地址和段映射，以适应不同的系统全性访问需求中断控制器ARM中断处理中断优先级中断配置中断控制器管理来自外设或内部事件的中控制器根据优先级排序中断请求，确保重允许开发者配置中断行为，例如中断类断请求，并将其传递给处理要事件得到优先处理型、优先级和响应方式CPU电源管理ARM低功耗模式动态电压和频率调节12处理器支持多种低功耗动态调整电压和频率以匹配工ARM模式，例如睡眠模式和休眠模作负载，从而降低功耗式，以减少功耗电源管理单元电源域34处理器通常集成了电源架构支持划分电源域，ARM ARM管理单元，用于管理使特定模块在不需要时可以关PMU电源状态和功耗闭安全扩展ARM安全启动内存保护安全扩展提供安全启动功能，确保设安全扩展提供了内存保护功能，确保ARM ARM备启动时加载的代码是可信的这有助于敏感数据和关键代码免受未经授权的访防止恶意软件攻击和未经授权的访问问加密身份验证安全扩展提供了加密功能，可以用于安全扩展提供了身份验证功能，可以ARM ARM保护数据和代码，防止未经授权的访问确保设备和用户的身份信息安全调试接口ARM接口接口1JTAG2SWD接口是处理器最常接口比接口更小，JTAG ARMSWD JTAG用的调试接口，可用于加载程仅需两个引脚即可实现调试功序、单步执行、设置断点等能，适用于空间受限的应用接口调试工具3ETM4接口提供更高级的调试提供了多种调试工具，ETM ARM功能，可用于跟踪程序执行过例如ARM RealView程和分析代码性能和Debugger SEGGERJ-，可用于连接和调试Link处理器ARM性能监控ARM性能计数器性能分析工具处理器包含专门的性能计数提供各种性能分析工具，如ARM ARM器，可用于监控各种性能指标，性能监控单元（）和性能计PMU例如指令周期、缓存命中率和分数器，用于收集和分析性能数支预测准确性据性能优化性能监控数据可用于识别性能瓶颈并优化代码和硬件配置，以提高应用程序性能实时时钟ARM实时时钟时间和日期定时器实时时钟为系统提供精确的时间跟保持时间和日期信息，即使系统电源可以用作定时器，触发特定时间的事RTC RTCRTC踪关闭件通用定时器ARM计时功能灵活配置多路定时器通用定时器可以精确地支持多种工作模式，包括定处理器通常集成了多个ARM ARM测量时间间隔，并生成周期时器模式、计数器模式、脉通用定时器，可以独立控制性中断，用于系统计时、延冲宽度调制（）模式，不同的定时任务，提高系统PWM时等满足各种应用需求效率外设接口ARM通用串行接口通用并行接口

11.UART

22.GPIO用于与外部设备进行异步串行通信，例如键盘、鼠标和显允许微控制器直接控制外部设备的输入和输出信号示器计时器计数器模拟数字转换器

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44.ADC提供精确的定时和计数功能，用于控制系统时间、定时器将模拟信号转换为数字信号，用于采集传感器数据，例如中断和信号生成温度、压力和光照强度PWM信号处理ARM数字信号处理器硬件加速器软件库和工具架构处理器常集成，用于音例如音频解码、视频编码等专用硬件提供各种软件库和工具，如ARM DSPARM频、视频等信号处理提供高效加速器，加速多媒体信号处理，提高、滤波器等，方便开发者进行DSP FFTFIR的算法和指令集，优化信号处理效性能信号处理开发率多媒体处理ARM多媒体加速指令集扩展处理器通常包含专用的多媒体加速器这些加速器通过提体系结构支持各种指令集扩展，专门针对多媒体处理进行ARM ARM供硬件级的加速来提高多媒体任务的性能，例如视频编码、解码优化例如，扩展为向量运算提供硬件支持，这些运算通NEON和图像处理常用于图像和视频处理机器学习加速ARM处理器加速云计算和边缘计算移动设备和物联网ARM架构处理器提供硬件加速，例如处理器在云服务器和边缘设备上运行处理器在移动设备和物联网设备上实ARM DSPARM ARM指令集和神经网络引擎机器学习算法现低功耗机器学习。