Hvordan armprocessorer fungerer: opbevaring, endianness og hukommelsesstyring

ARM-mikroprocessoren, en 32-bit RISC-arkitektur, er vidt brugt i indlejrede systemer på grund af dets lave strømforbrug og høj effektivitet.Dets applikationer spænder over mobile enheder, industriel kontrol, netværk og multimedia.ARMs udvikling, opbevaringsformater og instruktionssæt, inklusive RISC og tommelfingerteknologi, forbedrer dens alsidighed og ydeevne.

Katalog

Hvad er en armmikroprocessor?

ARM-arkitekturen, oprindeligt kaldet den avancerede RISC-maskine og Acorn RISC-maskinen, repræsenterer et 32-bit reduceret instruktionssæt (RISC) -design.Denne arkitektur har fået en betydelig trækkraft inden for udviklingen af ​​indlejret systemudvikling, stort set på grund af dets bemærkelsesværdige lavt effektforbrug og enestående energieffektivitet.Sådanne egenskaber gør det især velegnet til mobile kommunikationsapplikationer.

Eksempler på enheder, der udnytter armprocessorer inkluderer:

- Bærbare gadgets såsom PDA'er, mobiltelefoner, multimedieafspillere og håndholdte elektroniske spil.

- Computerperifere enheder, inklusive harddiske og desktop -routere.

- Militært udstyr, især missiler ombord.

Alsidigheden af ​​ARM -mikroprocessoren giver den mulighed for at tilpasse sig forskellige forbrugerelektronik, hvilket forbedrer brugeroplevelsen, samtidig med at man opretholder et fokus på bæredygtighed og effektivitet.

Applikationsfelt og egenskaber ved armmikroprocessor

ARM -processorer udviser omfattende markedets rækkevidde og en lovende bane for udvikling.I øjeblikket kommanderer ARM-baserede 32-bit mikroprocessorer 80% af markedsandelen.De fleste IC -producenter har udviklet proprietære armchips.

Anvendelser af industrielle kontrol:

ARM-kernebaserede mikrokontrollere, med deres 32RISC-arkitektur, dominerer high-end-segmentet af mikrokontrollermarkedet og gennemsyrer i stigende grad low-end-applikationer.Deres effektive energiforbrug og gunstige omkostningsprestationsforhold udgør en formidabel udfordring for traditionelle 8-bit og 16-bit mikrokontrollere.

Trådløs kommunikation:

I øjeblikket bruges ARM -teknologi i over 85% af trådløse kommunikationsenheder, hvilket styrker dens status i denne sektor gennem tilbud om høj ydeevne til en lavere pris.

Netværksudstyr:

Med fremme af bredbåndsteknologi vinder ARM-baserede ADSL-chips trækkraft på konkurrencedygtige markeder.Desuden modtager ARMs optimeringer i stemme- og videobehandling betydelig opbakning og udfordrer DSP -applikationsfeltet.

Forbrugerelektronik:

ARM-teknologi understøtter populære digitale lydafspillere, digitale set-top-kasser og spilkonsoller, hvilket støt beriger brugeroplevelsen.

Billeddannelses- og sikkerhedsprodukter:

Et betydeligt antal digitale kameraer og printere inkorporerer armteknologi.Endvidere gearing på 32-bit SIM-smartkort i telefoner gearing af armteknologi.

ARM -processorfunktioner:

- Kompakt design, effekteffektivitet, omkostningseffektivitet og robust ydeevne

-Support til tommelfinger (16-bit) og arm (32-bit) dobbeltinstruktionssæt, hvilket sikrer kompatibilitet med 8-bit og 16-bit enheder

- Overflod af registre, der letter hurtig instruktionsudførelse

- Overvejende registerbaserede dataoperationer

- Fleksibel og ligetil adresseringsmetode, der bidrager til operationel effektivitet

- ensartet instruktionslængde

Dykning i kernebegreber omkring arm

Von Neumann System

Strukturel model:

Systemegenskaber:

Synergien af ​​data og instruktioner, der er bosiddende inden for et samlet lagringsdomæne, manifesterer sig en forenkling, der brænder mange tidlige computere.Den dobbelte brug af en enkelt databus til hentning af både instruktioner og data på trods af dens enkelhed præsenterer en begrænsning.ARM7 bruger denne arkitektur, der eksemplificerer enkelhed sammenflettet med præstationsbegrænsninger, da hentning af samtidig data forbliver undvigende.

Harvard System

Strukturel model:

Strukturelle funktioner:

Der observeres tydelig adskillelse mellem programhukommelse og datamindring, hvor hver udnytter sin egen bus til at levere ekspansiv hukommelsesbåndbredde, hvilket gør den velegnet til applikationer til digital signalbehandling.Denne særpræg er udbredt i de fleste DSP'er, der er designet baseret på Harvard -arkitekturprincipper.ARM9, en udførelsesform for Harvard-arkitekturen, opdeler elegant hukommelsen i tre kategorier: program, data og delte programdata-rum, der imødekommer indviklede beregningsmæssige behov.

Funktioner ved kompleks instruktionssæt computer (CISC):

At omfatte en forskelligartet række instruktioner og adresseringstilstande giver CISC -arkitekturer mulighed for at tilbyde omfattende beregningsmuligheder.En bemærkelsesværdig observation er 8/2 -reglen, der understreger, at 80% af programudførelsen typisk er afhængig af kun 20% af de tilgængelige instruktioner.Selvom dette omfattende supplement til instruktioner og kredsløb kulminerer med kraftig behandling, resulterer det også i øgede rumlige og magtkrav.

Nedsat instruktionssæt computer (RISC)

Funktioner:

Fokuseret på implementering af vigtige instruktioner, der muliggør udførelse af grundlæggende operationer hurtigt, letter RISC -arkitekturen fremskyndet instruktionsudførelse ved at sikre ligefremme dataoperationer.RISC vedtager en load-butiksmetode, hvor processoren begrænser datahåndtering til registre;Specifikke indlæsningsinstruktioner orkestrerer dataudveksling mellem registre og ekstern opbevaring.Streamlining af CPU -designet består RISC færre kredsløbsenheder, hvilket giver kompakthed og reduceret energiforbrug.

Skelner RISC og CISC -arkitekturer

Registrer brug:

RISC -instruktionssættet kan prale af en overflod af alsidige registre, der er dygtige til at holde både data og adresser, hvilket muliggør SWIFT -datatilgang, der er vigtige for effektive operationer.Omvendt anvender CISC -instruktionssættet ofte registre for snævert definerede roller, hvilket begrænser alsidighed.

Lastbutikstruktur:

RISC Arkitektur mestre en registercentrisk tilgang, hvor eksklusive indlæsningsinstruktioner fører tilsyn med dataoverførsel mellem registre og ekstern hukommelse, hvilket reducerer hyppigheden af ​​ekstern hukommelsesadgang og optimerer gemte data genbrug.I modsætning hertil tillader CISC -arkitektur direkte hukommelsesdatabehandling og tilbyder fleksibilitet til prisen for øget kompleksitet.

ARM -opbevaringsformat

ARM-opbevaring er organiseret til at indeholde data i 8-bit enheder, kendt som bytes, med hver enhed tildelt en specifik adresse.

ARM -hukommelsesperspektiv

ARM fortolker hukommelsen som en række af på hinanden følgende byte, der begynder på nuladresse.Det udnytter sin 32-bit mikroprocessor kapacitet til at tilbyde et ekspansivt adresseringsrum, der når op til 4 GB (2^32 bytes).

Dataarrangement i armhukommelse

Arrangementet af lagrede data følger et specifikt mønster:

- De indledende orddata spænder fra nul til tre byte.

- De efterfølgende orddata dækker fra den fjerde byte til den syvende byte, sekventielt.

De 32-bit-orddata optager fire adresserceller, mens 16-bit halvorddata bruger to adresseceller.En sådan distribution fører lejlighedsvis til komplikationer vedrørende rækkefølgen af ​​lagring af ord eller halvorddata.

Endianess i armarkitektur

ARM Architecture letter Word Data Storage gennem to forskellige metoder: big-endian og lidt-endian-formater.

Big-endian format

Dette format placerer de høje byte af orddata i lavere adresserum, mens de nedre byte af orddata finder sig imødekommet inden for højere adressområder.

Lidt-endian format

Omvendt bruges der i lidt-endian-format, lavere adresserum til at gemme den lave byte af orddataene, mens højere adresserum bevarer den høje byte af orddataene.Generelt er ARM standard til lille endian formatering.

ARM Architecture Insights

Udforskning af Arm Series -produkter

Diverse klassificering af armprocessorer

Instruktionssæt Arkitekturklassificering:

- v1

- v2

- V5

- v5tej

- V6 og andre

Processor -kerneklassificering:

- Arm7

- ARM9

- ARM10

- ARM11

- Stærk arm

- Xscale, blandt mange andre

Evolutionær rejse med armarkitekturversioner

ARM Architecture's rejse har været et billedteppe af teknologisk udvikling, præget af forskellige versioner:

- v1

- v2

- V3

- V4

- V5

- V6

Afsløring af V1 -arkitekturversionen

V1 -arkitekturen, der minder om en banebrydende ånd, optrådte udelukkende i ARM1 -prototypen og afslørede dens essens gennem nøglefunktioner:

- Grundlæggende databehandlingsinstruktioner (sans multiplikation)

- Indlæs/opbevaringsinstruktioner, der serverer byte, halvord og ord

- Instruktioner til overførsel, dækker subroutineopkald og link

- Software afbrydelseshåndteringsinstruktioner

- Adresseringskapacitet: 64 m byte (26)

Udforskning af V2 -arkitekturversionen

V2 -arkitekturen, en forbedring af V1, som det ses i ARM2 -arkitektur, inkluderer:

- Instruktioner til multiplikation og avanceret multiplikation

- Co-Processor Operation Instruktionsundervisning Support

- Accelereret afbrydelsestilstand

- SWP/SWPB grundlæggende hukommelse og registerudvekslingsinstruktioner

- Adresseringskapacitet: 64 m byte

Detaljeret overblik over V3 -arkitekturversionen

V3 -arkitekturen præsenterer udvidet adressering, der hjælper med:

- Adressering af rummet steg til 32 bit (4G bytes)

- Introduktion af CPSR og SPSR -registre til adept undtagelsesbehandling

- Abort og udefinerede processortilstande tilføjet

- Omfavnelse af ARM6 -udnyttelse under denne arkitektur

- Instruktionssætforbedringer: MRS/MSR -instruktioner adgang til nyligt tilføjede CPSR/SPSR -registre;Undtagelseshåndtering af returkapacitet

Alsidige funktioner i V4 -arkitekturversionen

På området V4 -arkitektur bringer denne version udbredt anvendelse og yderligere fremskridt over V3, der indkapsler essensen af ​​tilpasningsevne.ARM7, ARM8, ARM9 og Strong ARM inkorporerer denne arkitektur.

Nye instruktionssæt funktioner:

- Indlæs/opbevaringsinstruktioner til både underskrevne og usignerede halvord og underskrevne bytes

- Introduktion af den alsidige 16-bit tommelfingerinstruktionssæt

- Forbedret SWI -software afbryder instruktionsfunktioner

- Inkludering af processorprivilegiefunktion

Avancerede funktioner i V5-arkitekturversionen

V5 -arkitekturen står som et fyrtårn for den nylige udvikling, der indlejrer nye instruktioner fra V4 og fremdriver ARM10 og XScale -applikationer.Disse avancerede instruktioner inkluderer:

- BLX -overførselsinstruktioner med sammenkoblings- og byttefunktioner

- Ledende nul tælling CLZ -instruktion

- BKPT Software Breakpoint Instruktion

- Yderligere signalbehandlingsinstruktioner

- Udvidede valgfri instruktioner til coprocessorer

Levende egenskaber ved V6 -arkitekturversionen

V6-arkitekturen fremstår som en passende ledsager til batteridrevet bærbart udstyr, hvilket viser tankevækkende forbedringer:

- SIMD -funktionsudvidelse styrker lyd- og videobehandlingsdygtighed inden for indlejrede systemer.

Væsentlige retningslinjer for valg af armchips

I praktiske applikationsscenarier former forskellige faktorer beslutningsprocessen, når du vælger ARM-chips:

ARM Core Architecture

For dem, der vælger at bruge operativsystemer som Wince eller Linux til at strømline softwareudviklingens tidslinjer, skal du vælge ARM -chips udstyret med MMU -kapaciteter - såsom dem fra ARM720T og opad - bliver fordelagtige.

Systemurdynamik

Systemuret påvirker kompliceret armchipens behandlingshastighed.ARM7 -chips leverer hastigheder på 0,9 MIPS/MHz, med hovedurfrekvenser, der strækker sig mellem 20 MIPS og 133 MHz.I modsætning hertil tilbyder ARM9 -chips forbedrede hastigheder på 1,1 MIPS/MHz med almindelige ure, der spænder fra 100 MIPS op til 233 MHz.

Intrinsiske hukommelsesovervejelser

For scenarier, der er blottet for behovet for ekspansiv hukommelse, præsenterer ARM -chips udstyret med intern hukommelse sig selv som levedygtige alternativer.

GPIO -brugervenlighedsspektrum

Chip -producenter specificerer ofte maksimale GPIO -kapaciteter, hvor adskillige stifter fungerer som adresse, data eller serielinjer.Følgelig bliver evaluering af det faktiske anvendelige GPIO -antal afgørende under systemdesign, hvilket afslører potentielle begrænsninger og mangefacetterede applikationer.

USB -integration

Inkorporering af USB -controllere har mange ARM -chips indbyggede kapaciteter;Nogle integrerer endda både USB -værts- og USB -slavekontrollere og tilbyder forskellige interaktionsmuligheder.

Afbryd håndteringsmekanik

Det grundlæggende armkerne -design involverer kun to afbrydelsesvektorer: Hurtig interrupt (FIQ) og standardafbrydelse (IRQ).Semiconductor -udviklere augment chip -design med skræddersyede interrupt controllere til at rumme hardwareafbrydelser, der spænder over seriel port, eksterne triggere og urafbrydelser.Tankevækkende eksternt interrupt -design kan effektivt afbøde opgaveplanlægningskompleksiteter og lette problemfri operationel strømning.

LCD -displayintegration

Visse ARM Chips House Intrinsic LCD -controllere og kan omfatte avancerede 64K farve TFT LCD -controllere.Disse er især velegnede til PDA -design eller håndholdte display- og optagelsesenheder, hvilket sikrer levende visuelle output, der er skræddersyet til specifikke brugerinteraktioner.

Busudvidelses alsidighed

Ofte inkluderer ARM -chips eksterne grænseflader til udvidelse af SDRAM og SRAM.Variationer i armchip -design bestemmer antallet af chips, der kan udvides via forskellige veje, hvilket påvirker applikations bredde.Specifikke modeller, såsom Micronas 'PUC3030A, mangler sådanne eksterne kapaciteter, der kræver alternative arkitektoniske tilgange.

Emballageindstillinger

ARM -chips findes i forskellige emballagestilarter som QFP, TQFP, PQFP, LQFP, BGA og LBGA.BGA -emballage skiller sig ud til at reducere chipdimensioner og PCB -området krav, på trods af at de nødvendiggør specialiseret svejseteknologi ud over manuelle kapaciteter.Standard BGA-pakket ARM-chips kræver yderligere PCB-ledninger med flerlags PCB, der går videre end dobbeltpanel PCB-sammenkoblinger.

Tommelfingerteknologi indsigt

Udviklingen af ​​ARMs RISC -arkitektur tilbyder innovative løsninger, der er kendetegnet ved bemærkelsesværdig effekteffektivitet, kondenseret størrelse og forbedret ydelse.For at tackle kodelængdeudfordringer inkorporerer ARM -arkitektur T -varianten, banebrydende et markant instruktionssystem kendt som tommelfingerinstruktionssættet.

Tommelfingers egenskaber

Tommelfingerinstruktionssættet, en udvidelse af ARM, introducerer 36 instruktionsformater afledt fra det traditionelle 32-bit arminstruktionssæt.Disse formater kan tilpasses adaptivt til 16-bit opcodes, der optimerer kodetætheden.

Processor tilstand alsidighed

ARMs arkitektur, der er i stand til at integrere tommelfingerstøtte, tillader problemfri overgange til tommelfingerstaten.I denne tilstand beskæftiger processoren sig med 16-bit tommelfingerinstruktionssæt.

Tommelfinger mod arm: Sammenlignende analyse

Sammenligning af effektiviteten af ​​arm- og tommelfingerinstruktionssæt afslører bemærkelsesværdige sondringer.Tommelfingerinstruktioner kræver typisk yderligere processer for at udføre lignende opgaver, hvilket indikerer ARMs egnethed til tidsfølsomme applikationer.

I scenarier, der kræver undtagelseshåndtering, mangler tommelfingerens instruktionssæt specifikke instruktioner.Derfor skal arminstruktioner supplere tommelfingeren til at håndtere ekstraordinære afbrydelser effektivt.Dette understreger det synergistiske forhold mellem tommelfinger og arminstruktioner.

Ofte stillede spørgsmål [FAQ]

1. Hvad er de syv driftsformer for en ARM -mikroprocessor?

ARM -processoren fungerer i flere tilstande til specifikke opgaver.Brugertilstand (USR) kører applikationer, mens FIQ og IRQ håndterer høj prioritet og standardafbrydelser.SVC administrerer OS -ressourcer, sys udfører privilegerede opgaver, ABT håndterer datatilgangsfejl og undtages UNT -anerkendte instruktioner.CPU -skiftertilstande automatisk eller via software.Bortset fra brugertilstand er alle privilegerede med fem - ekskluderende sys - klassificeret som undtagelsestilstande.

2. Hvad er de grundlæggende adressemetoder for en ARM -mikroprocessor?

ARM -processoren bruger ni grundlæggende adresseringstilstande, der bestemmer operandets placering baseret på den adressekode, der er specificeret i instruktionen.Disse tilstande inkluderer registeradressering, øjeblikkelig adressering, registerskift adressering, register Indirekte adressering, variabel adressering, multi-register adressering, stack-adressering, blokkopi-adressering og relativ adressering.Hver tilstand tilbyder en tydelig metode til adgang til data, hvilket forbedrer processorens fleksibilitet og effektivitet i udførelsen af ​​opgaver.

3. Hvor mange generelle registre har en ARM-processor?

ARM -mikroprocessoren er udstyret med i alt 37 registre, hver 32 bit i størrelse.Blandt disse er 31 udpeget som generelle registre.Navnlig er R13 og R13_SVC adskilt fra hinanden, hvilket sikrer, at specifikke opgaver kan styres effektivt.Derudover er der 6 statsregistre, der spiller en afgørende rolle i at opretholde processorens operationelle status.