嵌入式系统原理及接口技术 ARM9体系结构

一、ARM微处理器系列介绍

1.1 ARM的版本号含义

不同的体系结构对应着不同的指令集，ARM公司给这些在不同阶段体系结构中使用的指令集定义了版本号，版本号的名称为ARMvx（符号x代表数字，即1，2，3，…）。

1.2 ARM系列中的一些符号含义

以“ARM”字符为前缀的微处理器核名称中，还经常会出现以下一些符号：
（1）T：支持高密度16位的压缩Thumb指令集。
（2）D：支持片上调试。
（3）M：支持64位除法。
（4）I：具有Embeded-ICE（即嵌入式的ICE），支持片上断点。
（5）E：增强性，具有Java，DSP等增强的处理功能。
（6）S：表示综合处理器。
（7）J：表示具有Jazelle技术，该技术支持。

1.3 Cortex系列中的一些符号含义

Cortex系列是ARM公司对新的微处理器核的命名前缀，它所对应的指令集版本号是ARMv7。

Cortex系列的微处理器核名称中，还经常会出现以下一些符号：
（1）M：针对微控制器和低成本应用提供优化的系列。
（2）R：针对实时系统应用的系列。
（3）A：针对面向高端的应用，支持基于虚拟内存的操作系统。

二、ARM9微处理器特征

ARM9系列微处理器是目前在我国用得最广泛的、拥有高性价比的一种嵌入式微处理器，其采用了低功耗的32位RISC结构，非常适合应用在要求低成本、低功耗的消费类产品中。

2.1 ARM9的指令流水

ARM920T微处理器的指令流水采用了典型的RISC 5级流水线结构，将指令的处理过程分为取指、译码、执行、访存和写回5个步骤。5级流水线结构采用分离指令缓存和数据缓存的结构，即哈佛结构，将每一条指令处理分配到3个或者5个时钟周期内完成，也就是说，在每一个时钟周期内同时可能有5条指令在处理，消除了指令处理的性能瓶颈，加快了指令处理速度。

2.2 ARM9指令集特点

ARM920T的指令集是基于精简指令集计算机（RISC）原理，RISC指令集计算机机与复杂指令集计算机（CISC）相比较而言，译码机制简单，从而使RISC指令集的微处理器具有以下一些优点：
（1）较高的指令吞吐率。
（2）实时中断响应性能好。
（3）具有体积小、性价比高的处理器宏单元。

2.3 ARM9的工作模式

ARM9微处理器核共支持7种工作模式，在不同的工作模式下，算术运算及逻辑运算等操作所使用的通用寄存器组不同。ARM9处理器核中每组通用寄存器有16个，整个ARM9核共有31个通用寄存器。

处理器模式	模式符号	意义
用户模式	Usr	正常执行程序时的处理器模式
系统模式	Sys	运行特权操作系统任务时的模式
管理模式	Svc	操作系统的保护模式
中止模式	Abt	指令或数据预取操作中止时的模式，该模式下实现虚拟存储器或存储器保护
未定义模式	Und	当执行未定义的指令时进入该模式
IRQ模式	Irq	响应普通中断时的处理模式
FIQ模式	Fiq	响应快速中断时的处理模式

7种模式中，对于除用户模式外的其他6种工作模式统称为特权模式，其中，又把管理模式、中止模式、未定义模式、IRQ模式、FIQ模式5种工作模式统称为异常模式。

ARM9微处理器核的工作模式是可以通过软件控制来改变的，而且外部中断信号或系统异常处理也可以使工作模式发生改变。

通常情况下，系统的应用程序是在用户模式下执行。当工作在用户模式下，ARM9微处理器核所执行的程序不能访问呢那些被保护的系统资源，也不能改变为处理器核的工作模式。但是，当系统发生异常时，ARM9微处理器核的工作模式就会改变。

三、ARM9的存储组织结构

3.1 ARM9中的地址特征

ARM9微处理器核的每个地址是对应于一个存储字节而不是一个存储字，但ARM9微处理器核可以访问存储字。访问存储字时，其地址应该是字对准的，即字地址可以被4整除。

ARM9微处理器核中的PC寄存器是32位的，地址通常是无符号的整数形式，因此地址计算时会产生在地址空间中上溢或下溢的情况。若产生地址上溢或下溢，PC寄存器中的值又会从0x00000000开始。

目的地址的计算公式：

目的地址=PC