《ARM体系结构》课件

体系结构ARM体系结构是一种广泛应用于移动设备、嵌入式系统和服务器的处理ARM器架构处理器以其低功耗、高性能和可扩展性而闻名，使其成为各种应用ARM的理想选择架构简介ARM架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机ARM架构它以低功耗、高性能和高性价比著称，在移动设备、物联RISC网、汽车电子等领域占据主导地位架构的优势包括ARM低功耗•高性能•高性价比••广泛的生态系统支持处理器核心对比ARMARM Cortex-A76ARM Cortex-A55ARM Cortex-R52ARM Cortex-M33高性能处理器核心，适用于高能效处理器核心，适用于实时处理器核心，适用于需微控制器处理器核心，适用高性能计算和图形密集型应低功耗和电池供电设备要快速响应和确定性性能的于嵌入式系统和物联网设用应用备内核设计理念ARM低功耗高性能处理器注重节能设计，采通过优化指令集和流水线设ARM用低电压、低功耗技术，适用计，处理器能够实现高性ARM于移动设备和嵌入式系统能的计算和数据处理可扩展性易于移植架构可扩展到不同的处理指令集和架构设计简化了ARM ARM器核心和系统配置，满足不同软件移植过程，方便应用程序应用的需求在不同平台上运行指令系统特点ARM简单性高效性指令集相对简单，易于理解和学习指令执行效率高，能够快速完成操作灵活性兼容性支持多种寻址方式，满足不同编程需求与其他架构兼容，便于移植和开发内存寻址模式ARM寄存器直接寻址寄存器间接寻址立即寻址相对寻址使用寄存器来存储目标地通过寄存器中的值作为基在指令中直接包含目标地使用当前指令的地址加上址，直接访问内存中的数地址，加上偏移量，访问址，无需通过寄存器访偏移量，访问内存数据据内存数据问适用于访问指令附近的常适用于访问固定地址的数灵活，可实现动态地址访适合访问常量，操作速度量或变量，操作速度快，据，效率高，操作简便问，适用于访问数组、字快，但灵活性较差但灵活性受限符串等数据结构中断机制ARM中断源中断向量表

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2.12中断源可以是硬件设备，例中断向量表包含每个中断源如定时器、键盘、网络接对应的中断处理程序地址口中断控制器中断处理程序

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4.34中断控制器负责接收来自中中断处理程序是专门用于处断源的请求，并根据优先级理特定中断源的代码决定哪个中断处理程序应被执行异常处理机制ARM异常类型处理流程体系结构支持多种异常类型，包括数据中止、指令中当发生异常时，处理器会保存当前程序状态，并跳转到ARM ARM止、预取中止、系统异常、快速中断请求等相应的异常处理程序异常处理是架构的核心机制之一，用于响应各种意外事异常处理程序会根据异常类型进行相应的处理，例如修复错ARM件，例如内存访问错误、非法指令执行等误、记录日志或重启系统运行模式ARM用户模式系统模式12用户模式是处理器最常用的模式，用于执行用户系统模式用于执行系统软件，例如操作系统内核ARM应用程序中断模式快速中断模式34中断模式用于处理来自硬件或软件的中断请求快速中断模式用于处理需要快速响应的中断请求寄存器组ARM通用寄存器程序计数器PC处理器拥有个通用寄存器指向正在执行的指令地址，用于控制指令的ARM16R0-，用于存储各种数据，例如变量、参执行顺序R15数和中间计算结果状态寄存器特殊功能寄存器CPSR记录处理器当前状态，例如中断状态、用于管理处理器内部资源，例如内存管理、模式和标志位协处理器和系统控制CPU数据传输指令ARM指令指令指令指令LDR STRLDM STM将数据从内存加载到寄存器将数据从寄存器存储到内存将多个数据从内存加载到寄将多个数据从寄存器组存储中，用于读取内存数据中，用于写入内存数据存器组中，用于快速加载数到内存中，用于快速存储数据据数据处理指令ARM算术运算指令逻辑运算指令包括加法、减法、乘法、除法包括逻辑与、或、异或、非等等处理器使用专用指令完成用于对数据进行逻辑操作，实ARM这些运算，提高效率现条件判断和控制流程移位操作指令比较操作指令包括左移、右移、循环移位比较两个操作数大小，并设置等标志位实现数据位移，用于对数据进用于条件判断和分支跳转行位级操作逻辑运算指令ARM位运算逻辑运算符12逻辑运算指令用于对支持、、、ARM ANDOR XOR操作数的位进行逻辑运算等逻辑运算符，实现NOT按位运算条件码应用场景34逻辑运算指令可影响处理器广泛应用于位操作、数据判状态，例如设置条件码标断、状态控制等场景志移位操作指令ARM逻辑左移逻辑右移算术右移逻辑左移操作将数据的所有位向左移动逻辑右移操作将数据的所有位向右移动算术右移操作将数据的所有位向右移动指定的位数，空缺的低位用填充指定的位数，空缺的高位用填充指定的位数，空缺的高位用符号位填00充程序控制指令ARM跳转指令控制程序执行流程，跳转到指定地址执行指令分支指令根据条件判断是否执行跳转，实现分支逻辑返回指令用于从子程序返回到调用程序，恢复执行流程乘法指令ARM乘法指令概述ARM体系结构提供多种乘法指令，用于执行整数和浮点数乘ARM法运算乘法指令支持多种乘法模式，如普通乘法、带符号乘法、双字乘法等加载存储指令ARM数据加载数据存储将内存中的数据加载到寄存器中常用将寄存器中的数据存储到内存中常用的指令包括、、、的指令包括、、、LDR LDRBLDRH STRSTRB STRH等这些指令可以根据数据类型等这些指令同样可以根据数据LDRD STRD选择不同的加载方式，例如加载字节、类型选择不同的存储方式半字、字或双字寻址方式数据对齐加载存储指令支持多种寻址方加载存储指令要求数据对齐，即ARM ARM式，包括寄存器间接寻址、立即寻址、数据地址必须是数据类型的倍数例基址加偏移寻址等，允许灵活地访问内如，字对齐的地址必须是的倍数如4存数据果数据未对齐，会引发异常常用扩展指令ARM指令集指令集浮点指令集安全指令集Thumb NEON指令集，位指令，指令集，针对数字信浮点指令集支持浮点运算，安全指令集增强系统安全Thumb16NEON节约代码空间，提高代码效号处理和媒体处理优化，可满足科学计算、图形处理等性，支持加密和解密操作，率，适用于小型嵌入式系加速多媒体应用和图像处理领域的精度要求保护敏感数据统任务体系结构ARM体系结构是全球最广泛应用的处理器架构之一，它以其高性能、低ARM功耗和灵活的可扩展性而闻名体系结构在各种领域都有广泛应用，包括移动设备、嵌入式系统、ARM物联网和高性能计算硬件电路设计ARM硬件电路设计是体系结构的基础，涵盖了处理器ARM ARM内核、内存控制器、外设接口、电源管理电路等多个关键部分处理器内核是硬件电路的核心，负责执行指令和处理数ARM据内存控制器负责管理内存资源，外设接口负责与其他设备通信，电源管理电路负责控制芯片的功耗硬件电路设计需要考虑性能、功耗、成本等多个因素，ARM并需要根据具体应用场景进行优化系统软件设计ARM系统软件是处理器运行的基础，负责管理硬件资源和提供应用ARM ARM程序运行环境系统软件包括操作系统、驱动程序、中间件和应用程序接口ARM操作系统提供进程管理、内存管理、文件系统、网络通信等功能驱动程序为硬件设备提供访问接口，使应用程序能够使用硬件资源中间件提供应用程序开发框架，简化应用程序开发过程应用程序接口为应用程序提供调用硬件和软件功能的接口性能优化技术ARM指令流水线技术分支预测技术通过将指令执行过程分解成多个阶段，并行处理指令，提高指预测程序执行路径，减少分支指令带来的性能损失，提高程序令执行效率执行速度数据缓存技术编译器优化将常用的数据存储在高速缓存中，减少内存访问延迟，提升程利用编译器优化技术，生成更高效的代码，提高程序运行效率序性能电源管理ARM低功耗模式动态电压频率调节处理器支持多种低功耗模式，如睡眠根据工作负载动态调整电压和频率，在满足ARM模式、休眠模式等，以降低功耗性能需求的同时降低功耗电源管理单元功耗分析处理器集成了电源管理单元通过工具分析功耗分布，优化代码和硬件设ARM（），用于管理电源状态和功耗计，降低功耗PMU安全性设计ARM硬件安全软件安全12处理器提供多种硬件平台支持多种安全软ARM ARM安全特性，例如内存保护单件框架，包括安全操作系统元、信任区和和安全通信协MPU TZTrustZone安全启动议TLS/SSL密码学支持安全认证34处理器内置加密加速处理器符合各种安全ARM ARM器，支持各种加密算法，例认证标准，例如Common如、和，提和，确保产品AES DESRSA CriteriaFIPS高数据安全性安全性片上系统设计ARM高度集成可扩展性低功耗将处理器、内存、外设等支持不同的处理器内核和采用低功耗设计，延长电集成到单个芯片，降低成外设组合，满足不同应用池续航时间，减少能源消本，提高效率需求耗提供完整的系统解决方支持多种总线协议，方便适用于移动设备、物联网案，简化开发，降低开发与其他系统连接等领域周期多核设计ARM并行处理能力功耗优化多个处理器核心协同工作，可以显著提高系统性能多核设计允许根据负载动态调整核心数量，降低功耗可扩展性应用场景可以灵活地根据应用需求增加或减少核心数量适用于高性能计算、多任务处理、嵌入式系统等领域应用领域分析ARM移动设备智能手机、平板电脑等广泛应用ARM处理器，低功耗、高性能特点使其成为移动设备的最佳选择嵌入式系统ARM处理器在物联网、工业自动化、消费电子等领域得到广泛应用，其低成本、低功耗优势使其成为嵌入式系统的首选服务器随着云计算的快速发展，ARM处理器在服务器领域也得到越来越多的应用，其高性能、高性价比优势使其成为数据中心的重要组成部分最新发展趋势ARM人工智能与机器学习物联网和边缘计算和下一代网络5G架构在人工智能和机器学习领域应架构是物联网和边缘计算的核心，架构在网络基础设施和设备中ARM ARM ARM5G用广泛，例如嵌入式设备上的边缘计支持各种低功耗、高性能的应用场景发挥重要作用，支持高速数据传输和高算密度连接开发软硬件资源ARM开发工具硬件平台提供了丰富多样的开发工具，如市面上有各种基于架构的硬件平ARMARM、、台可供选择，例如开发板、模块等ARM KeilMDK ARMDS-5ARM、等等mbed ARMCompiler例如，、Raspberry PiBeagleBone这些工具可以帮助开发者进行代码编、等等，这些平台可以帮Black STM32写、调试、编译以及其他开发过程助开发者快速构建原型并进行测试总结与展望体系结构在移动设备、嵌入式系统和物联网领域发挥着至关重要的ARM作用展望未来，将继续在性能、能效和安全方面不断发展ARM。