《ARM硬件结构》课件2

硬件结构概述ARMARM处理器是一种广泛应用于移动设备、嵌入式系统和服务器的处理器架构它以其低功耗、高性能和可扩展性而闻名，为各种应用提供高效的计算能力处理器家族简介ARM处理器家族系列ARM CortexARM处理器家族包括多个系列，每个系列针Cortex系列是ARM处理器家族的核心，涵盖对不同应用场景而优化Cortex-A、Cortex-R和Cortex-M系列架构演进应用领域ARM架构不断发展，新一代处理器在性能、ARM处理器广泛应用于智能手机、平板电功耗和功能方面不断提升脑、物联网设备、嵌入式系统等领域指令集体系结构ARMARM指令集是ARM处理器的核心，它定义了处理器能够执行的操作，包括数据操作、内存访问、流程控制等ARM指令集主要分为两种类型Thumb指令集和ARM指令集，Thumb指令集是16位的，而ARM指令集是32位的Thumb指令集更加紧凑，更适合用于嵌入式系统中，而ARM指令集更强大，更适合用于高性能应用程序中处理器核心结构ARM指令解码1将指令转换为微操作执行单元2执行指令操作寄存器文件3存储数据和地址内存管理单元4管理内存访问ARM处理器核心结构通常包含指令解码单元、执行单元、寄存器文件、内存管理单元等寄存器组与存储器访问ARM寄存器组存储器访问ARM处理器拥有通用寄存器、特殊寄存器和状态寄存器ARM处理器使用加载和存储指令来访问内存通用寄存器用于存储数据和地址，特殊寄存器用于控制处理加载指令将内存数据加载到寄存器中，存储指令将寄存器数器状态，状态寄存器用于存储处理器当前状态信息据存储到内存中流水线执行机制ARM指令获取1ARM处理器从存储器中获取指令指令解码2将指令转换为机器可理解的格式，并解析指令的操作码和操作数指令执行3执行指令，更新处理器状态，并访问存储器结果写回4将指令执行结果写入寄存器或存储器处理器分类与性能对比ARM类别应用场景性能指标Cortex-A移动设备、嵌入式系统高性能、低功耗实时控制系统、工业自动化高性能、低延迟Cortex-RCortex-M微控制器、物联网设备低功耗、高性价比核心架构演进历程ARM早期架构ARMv1到ARMv4系列架构主要用于嵌入式领域，性能有限，功能相对简单ARMv5到ARMv7系列架构ARMv5引入了Thumb指令集，提高代码密度和性能ARMv7引入SIMD指令集，提升多媒体处理能力ARMv8架构ARMv8架构支持64位运算，引入了AArch64指令集，大幅提升性能，支持虚拟化和安全特性最新发展ARM架构不断优化，改进指令集，提升性能，增强安全性，扩展应用范围系列处理器特性Cortex-A高性能低功耗12Cortex-A系列处理器针对高性能应用而设计，例如智能手Cortex-A系列处理器采用低功耗设计，延长电池续航时机、平板电脑和服务器间，提升设备性能多核处理先进架构34Cortex-A系列处理器支持多核处理，提升计算速度和效Cortex-A系列处理器采用ARMv8-A架构，提供强大的功能率和性能系列实时处理器特性Cortex-R高性能低延迟Cortex-R系列处理器拥有更高Cortex-R系列处理器优化了流的时钟频率和更强大的指令水线设计，减少指令执行时集，能够快速处理实时任务间，并提供更低的延迟响应实时性安全可靠Cortex-R系列处理器具有确定Cortex-R系列处理器支持硬件性执行时间，能够满足实时应安全机制，确保实时系统运行用程序的严格时间要求的安全可靠性系列微控制器特性Cortex-M低功耗设计高性价比实时性能Cortex-M系列微控制器采用低功耗设Cortex-M系列微控制器以其高性能和低Cortex-M系列微控制器专为实时应用而计，适用于电池供电的嵌入式应用它成本而闻名，使其成为各种嵌入式应用设计，提供快速中断响应和低延迟操们提供多种功耗管理模式，以最大限度的理想选择它们提供广泛的内存和外作它们是需要快速处理和可靠性能的地延长电池寿命设选项，满足各种需求应用的理想选择内存管理单元ARM MMU内存管理单元MMU是ARM处理器中一个关键组件，负责管理系统内存和外设空间它可以将虚拟地址转换为物理地址，为每个进程提供独立的内存空间，并保护系统免受恶意代码的攻击MMU通常使用页表来映射虚拟地址到物理地址，并提供多种内存访问控制功能，如缓存和内存保护机制异常处理机制ARM异常处理机制异常处理流程ARM处理器提供了一套完整的异常处理机制，当异常发生时，处理器会立即暂停当前程序用于处理各种意外事件，例如指令执行错误、执行，保存当前运行状态，并将程序控制权内存访问错误、中断等等转移到相应的异常处理程序异常处理向量表异常处理类型ARM处理器使用一个异常处理向量表来记录•数据中止异常每个异常类型的处理程序地址，方便快速查•指令中止异常找和跳转•系统异常•快速中断•IRQ中断•FIQ中断电源管理技术ARM降低功耗动态电源管理软件优化ARM处理器通过优化电源管理技术，有ARM处理器支持多种电源管理模式，根ARM处理器通过软件优化，例如睡眠模效降低系统功耗，延长电池续航时间据工作负载动态调整功耗，提高能效式和低功耗模式，实现更细粒度的电源管理总线架构与总线接口ARMARM处理器采用先进的总线架构，以确保高效的数据传输和系统扩展性常见的ARM总线包括AMBA总线、AXI总线和AHB总线，它们分别适用于不同的应用场景，并支持各种外设接口ARM总线接口设计规范确保了与各种外设的兼容性，方便系统集成和扩展外设接口与设备驱动ARM通用外设接口ARM处理器提供多种通用接口，例如UART、SPI、I2C和CAN等这些接口用于连接各种外设，例如传感器、显示器、存储器等处理器引脚功能与时序ARM引脚功能时序关系每个引脚都分配有特定的功各个引脚信号之间的时序关系能，例如地址总线、数据总非常重要，决定了处理器与外线、控制信号、电源、地线部设备之间数据的正确传输等时序图引脚描述时序图通常用于描述引脚信号每个引脚的详细功能和时序信的时序关系，包括上升沿、下息通常在ARM处理器手册中进降沿、脉冲宽度、延迟时间行描述等硬件设计开发流程ARM系统需求分析1定义系统功能硬件架构设计2选择处理器架构硬件模块设计3设计内存和外设硬件系统集成4连接各个模块硬件测试验证5测试系统性能ARM硬件设计开发流程是一个循序渐进的过程从需求分析开始，最终实现系统设计处理器核选择原则ARM IP性能要求功耗限制12确定所需的处理能力、主根据应用场景和功耗预算，频、内存带宽等选择能够选择低功耗的IP核，例如满足应用性能需求的IP核Cortex-M系列处理器成本考量开发难度34考虑IP核的授权费用、开发评估IP核的复杂程度、开发成本和生产成本，在性能、难度和所需工具，选择易于功耗和成本之间权衡选择开发和调试的IP核处理器系统级设计ARM系统需求分析1确定系统功能、性能、功耗等需求硬件平台选择2选择合适的ARM处理器、内存、外设等软件架构设计3设计操作系统、驱动程序、应用软件等系统集成与调试4将硬件和软件集成在一起，进行测试和调试ARM处理器系统级设计需要综合考虑硬件和软件，并进行系统集成和测试处理器系统级仿真验证ARM功能验证1验证ARM处理器核心功能，例如指令集执行、内存访问、中断处理等可使用仿真器或虚拟机来模拟真实环境性能测试2评估处理器性能，例如指令吞吐率、内存带宽、功耗等可使用基准测试程序或定制测试用例来进行测试系统集成3验证处理器与其他硬件组件的集成，例如内存控制器、外设控制器、总线接口等可使用系统级仿真平台进行模拟测试软硬件协同设计技术ARM硬件设计软件设计硬件设计需要考虑性能、功耗、成软件设计需要考虑操作系统、驱动本等因素，并与软件设计相协调程序、应用程序等，并与硬件设计相协调协同设计优化设计软硬件协同设计需要建立有效的沟通过协同设计，可以优化系统性通机制，保证软件和硬件的兼容能，降低功耗，提升整体效率性处理器产品方案优化ARM性能优化功耗优化12根据应用需求选择合适的通过电源管理技术，降低处ARM处理器，优化配置，提理器功耗，延长电池续航时高处理器性能间成本优化可靠性优化34选择性价比高的ARM处理采用可靠性高的ARM处理器，优化系统设计，降低产器，并进行严格测试，提高品成本产品稳定性处理器制造与测试ARM制造工艺测试流程ARM处理器通常采用先进的半导体工艺制造ARM处理器经过严格的测试流程以确保其质量和可靠性例如，台积电的7纳米、5纳米和3纳米工艺等测试内容包括功能测试、性能测试、功耗测试、可靠性测试等处理器系统级性能优化ARMARM处理器系统级性能优化是提升系统性能的关键环节，涵盖硬件和软件两方面优化工作优化目标包括提高系统处理速度、降低功耗、提升效率1020优化策略性能分析多核并行、流水线优化、缓存策略性能指标分析、瓶颈识别、代码优化3040系统测试工具链压力测试、性能指标评估、优化验证性能分析工具、优化工具、测试工具处理器可靠性设计ARM可靠性测试错误检测机制冗余设计热量管理进行严格的可靠性测试，确集成错误检测机制，及时发采用冗余设计，提高系统容合理设计散热方案，降低芯保处理器在恶劣环境下仍能现并处理潜在的故障，提高错能力，避免单点故障导致片工作温度，延长使用寿稳定运行系统稳定性系统崩溃命处理器电磁兼容性设计ARMEMI抑制EMC测试减少电磁干扰，符合相关标准，验证产品是否符合电磁兼容性如FCC和CE标准•使用屏蔽层，降低电磁辐射•辐射测试，评估产品辐射电磁干扰能力•采用滤波器，降低噪声•传导测试，评估产品抗电磁干扰能力电路布局合理布局，降低电磁辐射•信号线和电源线分开走线，减少耦合•采用合适的阻抗匹配，降低反射处理器硬件安全特性ARMTrustZone技术内存保护单元MPUTrustZone是ARM架构中的一种安全机制，可创建安全区域，保护MPU通过划分内存空间来保护数据和代码，防止不同应用程序之间敏感数据和代码这可以防止恶意软件访问关键系统资源相互干扰处理器功耗优化设计ARM降低功耗电源管理系统优化热量控制通过优化处理器架构，使用引入动态电压频率调节，根优化系统软件和硬件，减少采用高效散热设计，控制热低功耗组件，减少不必要的据负载动态调整电压和频功耗，降低能耗量积累，降低功耗和提高稳功耗浪费率，优化能耗定性处理器热量管理技术ARM散热器设计风扇管理热量通过散热器散发到空气风扇用于引导气流，带走热中设计合理、高效的散热器量风扇控制算法决定了风扇至关重要速度热量监控监控处理器温度，及时采取措施避免过热温度传感器提供实时数据处理器测试与调试技术ARM硬件测试软件调试验证芯片功能、性能、功耗、稳定使用调试器进行代码跟踪、变量监性控、断点设置信号分析性能评估分析芯片内部信号，例如时钟信评估处理器性能，例如CPU频率、号、数据信号内存带宽未来架构的发展趋势ARMARM架构不断发展，适应不断变化的计算需求新型计算领域，如人工智能、物联网、云计算、边缘计算。