Структурная, функциональная схемы процессора и процессорного ядра

Содержание

Введение. 2

1. Теоретическая часть. 2

1.1 Краткая характеристика ядра ARM7TDMI. 3

1.1.1 Конвейер инструкций.. 3

1.1.2 Доступ к памяти.. 3

1.1.3 Интерфейс памяти.. 4

1.1.4 Логика EmbeddedICE.. 4

1.2 Архитектура ядра ARM7TDMI. 4

1.2.1 Сжатие инструкций.. 4

1.2.2 Набор инструкций Thumb. 5

1.3 Структурная, функциональная схемы процессора и процессорного ядра. 5

1.4 Краткое описание набора инструкций ядра ARM7TDMI. 8

1.4.1 Краткое описание формата. 8

1.5 Рабочие состояния процессора. 9

1.5.1 О модели программирования. 9

1.5.2 Рабочие состояния процессора. 10

1.5.3 Изменение состояния. 10

1.6 Форматы памяти.. 10

1.6.1 Прямой порядок (Little-endian). 11

1.6.2 Обратный порядок (Big-Endian). 11

1.7 Типы данных. 11

1.8 Режимы работы.. 12

1.9 Регистры.. 12

1.9.1 Набор регистров в состоянии ARM... 13

1.9.2 Набор регистров в состоянии Thumb. 14

1.10 Сброс. 15

1.11 Мобильные устройства на основе ядра ARM7TDMI. 16

2. Практическая часть. 17

2.1 Задание. 17

2.2 Блок-схема. 17

2.3 Распределение памяти.. 18

2.4 Код программы.. 18

2.5 Значения исходных данных и результата выполнения программы. 19

Заключение. 20

Список литературы.. 21

Введение

ARM — британская корпорация, один из крупнейших разработчиков и лицензиаров архитектуры 32-разрядных и 64-разрядных RISC-процессоров (с архитектурой ARM), ориентированных на использование в портативных и мобильных устройствах (телефонах, органайзерах и т. п.).

Бизнесом компании ARM всегда была продажа лицензий на производство ядер и сопутствующих элементов полупроводниковым компаниям, которые создавали микропроцессоры и микроконтроллеры на их основе.

На данный момент ARM не производит и не продает процессоры, сделанные по своим разработкам, но зато дает лицензии на процессоры заинтересованным партнерам. Компания предлагает широкий выбор условий лицензирования, различающихся по стоимости и деталям. Для всех владельцев лицензии поставляется описание аппаратной части ядра, а также полный набор средств разработки программного обеспечения (компилятор, отладчик), а также право продавать произведенные процессоры ARM. Некоторые клиенты занимаются производством процессоров для сторонних компаний.

Самой успешной версией ядра, продажи которой достигали сотен миллионов штук, ранее был ARM7TDMI.

Процессоры архитектуры ARM в основном используются в смартфонах, мобильных интернет-устройствах (MID), смартбуках, интернет-планшетах и других мобильных и энергоэффективных устройствах.

Технология ARM оказалась весьма успешной и в настоящее время является доминирующей микропроцессорной архитектурой для портативных цифровых устройств.

Цель работы:изучение архитектуры процессоров ARM7TDMI и мобильных устройств на его основе.

Задача работы:создание программы на языке ассемблера.

Теоретическая часть

Краткая характеристика ядра ARM7TDMI

Ядро ARM7TDMI - представитель семейства ARM 32-разрядных микропроцессоров общего назначения. Семейство ARM характеризуется высокой производительностью при очень низком уровне потребления и малых размерах.

Архитектура ARM выполнена на основе принципов RISC (компьютер с сокращенным набором инструкций). Набор инструкций RISC и связанный с ним механизм дешифрации является более простым по сравнению CISC-архитектурой (компьютер со сложным набором инструкций). За счет этого достигается:

· высокая производительность выполнения инструкций;

· превосходные реально-временные характеристики реагирования на прерывания

· малые размеры, эффективная стоимость процессорной макроячейки.

Конвейер инструкций

Для ускорения потока инструкций, поступающего к процессору, в ядре ARM7TDMI используется конвейер. Он позволяет выполнять несколько операций одновременно, а также обеспечивает постоянство работы системы памяти и обработки. Используется трехступенчатая конвейеризация, т.к. инструкции выполняются в три этапа:

· Выборка

· Дешифрация

· Исполнение.

В процессе нормальной работы, когда выполняется одна инструкция, последующая инструкция декодируется, а третья - считывается из памяти.

Счетчик программы указывает на загружаемую из памяти инструкцию, а не на исполняемую инструкцию. Это важно знать, т.к. значение счетчика программы (PC), которое используется при выполнении инструкции, всегда на две инструкции опережает адрес.

Доступ к памяти

Ядро ARM7TDMI использует фон-неймановскую архитектуру доступа к памяти с одной 32-разрядной шиной данных, по которой передаются как инструкции, так и данные. Доступ к данным к памяти могут осуществлять только инструкции чтения, записи и обмена. В качестве данных могут выступать:

· 8 бит (байт);

· 16 бит (полуслово);

· 32 бит (слово).

Слова должны быть выровнены к 4-байтным границам, а полуслова - к 2-байтным.

Интерфейс памяти

При разработке интерфейса памяти процессора ARM7TDMI стояла задача максимально полностью использовать потенциал по быстродействию и при этом минимизировать использование памяти. Чтобы обеспечить возможность реализации функций системного управления на основе стандартной маломощной логики критичные к быстродействию сигналы управления были конвейеризованы. Данные сигналы управления упрощают использование быстродействующих пакетных режимов передачи, которые используются большинством встроенной и внешней технологий памяти.

Ядро ARM7TDMI поддерживает четыре основных цикла доступа к памяти:

· холостой цикл

· непоследовательный цикл

· последовательный цикл

· цикл передачи регистра сопроцессора.

Логика EmbeddedICE

Логика EmbeddedICE - вспомогательный аппаратный блок, который делает ARM-процессоры отлаживаемыми и существенно облегчает процесс отладки. Он позволяет с помощью программных инструментальных средств отлаживать программный код, который исполняется целевым процессором. Логика EmbeddedICE управляется через порт JTAG с использованием интерфейса EmbeddedICE.

Архитектура ядра ARM7TDMI

Процессор ARM7TDMI поддерживает два набора инструкций:

· 32-разрядный набор инструкций ARM;

· 16-разрядный набор инструкций Thumb.

Процессор ARM7TDMI является разновидностью архитектуры ARMv4T. Более детально о наборах инструкций ARM и Thumb можно узнать в "ARM Architecture Reference Manual" (справочное руководство по архитектуре ARM).

В данном разделе описывается:

· Сжатие инструкций;

· Набор инструкций Thumb.

Сжатие инструкций

Микропроцессорные архитектуры, как правило, используют набор инструкций той же разрядности, что и данные. Следовательно, 32-разрядные архитектуры обладают улучшенными характеристиками обработки 32-разрядных данных и могут более эффективно адресовать большие адресные пространства по сравнению с 16-разрядными архитектурами. 16-разрядные архитектуры в большинстве случаев обладают более высокой плотностью кода, но приблизительно вдвое уступают по производительности.

Thumb реализует 16-разрядный набор инструкций в составе 32-разрядной архитектуры, который обеспечивает:

· более высокую производительность по сравнению с 16-разрядной архитектурой

· более высокую плотность кода по сравнению с 32-разрядной архитектурой.

Набор инструкций Thumb

Набор инструкций Thumb является выборкой наиболее часто используемых 32-разрядных инструкций ARM. Thumb-инструкции характеризуются размером 16 бит и имеют соответствующую 32-разрядную инструкцию ARM. Соответствующие инструкции оказывают одинаковое влияние на модель процессора. Thumb-инструкции работают со стандартной конфигурацией ARM-регистра, обеспечивая превосходное взаимодействие между состояниями ARM и Thumb.

В процессе выполнения 16-разрядная инструкция подвергается декомпрессии в реальном времени до полных 32-разрядных инструкций ARM без потери производительности.

Thumb наследует все преимущества 32-разрядного ядра:

· 32-разрядное адресное пространство

· 32-разрядные регистры

· 32-разрядное сдвиговое устройство и арифметико-логического устройство (АЛУ)

· Пересылка в память 32-разрядных данных.

Следовательно, инструкции Thumb характеризуются большим диапазоном перехода, мощными арифметическими операциями и большим адресным пространством.

Код Thumb обычно занимает 65% от ARM-кода и достигает 160% производительности ARM-кода при исполнении из 16-разрядной системы памяти. Следовательно, Thumb, делает ядро ARM7TDMI идеально подходящим во встраиваемые приложения, где в качестве критичных параметров выступают плотность кода и габариты.

Доступность обоих наборов инструкций, 16-разрядного Thumb и 32-разрядного ARM, дает разработчикам гибкость по оптимизации быстродействия или размера кода на уровне процедуры в соответствии с требованиями к их приложению. Например, критические циклы в таких приложениях, как обработка часто возникающих прерываний и алгоритмы цифровой обработки сигналов, могут кодироваться с помощью полных ARM-инструкций, а затем линкована Thumb-кодом.

Структурная, функциональная схемы процессора и процессорного ядра

На последующих рисунках представлены структурные схемы процессора, процессорного ядра и функциональная схема процессора.

На рисунке 1 представлены структурная схема процессора ARM7TDMI с указанием компонентов и основных сигналов. На рисунке 2 демонстрируется основной процессор (логика ядра ARM7TDMI), а на рисунке 3 показана функциональная схема процессора ARM7TDMI с указанием входящих и отходящих сигналов.

Рисунок 1. Структурная схема процессора ARM7TDMI

Рисунок 2. Структурная схема процессорного ядра

Рисунок 3. Функциональная схема процессора ARM7TDMI