ARM单片机的架构与工作原理

2021-03-30 17:45:03 hongling

ARM单片机(Advance Risk Machine),它是世界上使用最广泛的许可最多的处理器内核之一。第一个ARM处理器由剑桥大学于1978年开发,第一个ARM RISC处理器由Acorn Group of Computers在1985年生产。这些处理器专门用于便携式设备,如数码相机,手机,家庭网络。 由于具有诸如低功耗,合理的性能等优点,这些模块和无线通信技术以及其他嵌入式系统也可以使用。本文概述了ARM体系结构以及每个模块的工作原理。

ARM架构


ARM架构

ARM体系结构处理器是先进的精简指令集计算(RISC)机器,并且是32位精简指令集计算机(RISC)单片机。它是由Acron计算机组织于1987年推出的。该ARM是由ST Microelectronics,Motorola等制造商开发的单片机系列。ARM体系结构具有完全不同的版本,例如ARMv1,ARMv2等,并且每个版本都有其自身的优点和缺点。

ARM皮质是ARM系列中具有ARMv7设计的复杂单片机。ARM cortex系列中有3个子系列:

ARM-Cortex Ax系列;
ARM-Cortex Rx系列;
ARM-Cortex Mx系列。

ARM体系结构

1.算术逻辑单元;
2.展位乘数;
3.桶式移位器;
4.控制单元。

本文中,单片机方案网介绍了ARM的各个组件。

ARM处理器还具有其他组件,例如程序状态寄存器,其中包含处理器标志(Z,S,V和C)。除中断和快速中断禁止位外,模式位还联合存在于程序常规寄存器中。一些特殊的寄存器:一些寄存器用于指令,存储器数据读写寄存器和存储器地址寄存器。

优先级编码器:编码器用于多重加载和存储指令中,以指出要加载或保留的寄存器文件中的哪个寄存器。

多路复用器:几个多路复用器习惯于处理器总线的管理操作。由于项目时间有限,我们倾向于在行为模型中实施这些组件。每个组件都有一个实体描述。每个实体都有其自己的体系结构,可以根据其应用针对某些必要性对其进行优化。这使设计更易于构建和维护。

ARM框图


算术逻辑单元(ALU)

ALU有两个32位输入。主要变量来自寄存器文件,而另一个变量来自移位器。状态寄存器标志由ALU输出修改。V位输出转到V标志,而Count转到C标志。尽管最高有效位实际上表示S标志,但ALU输出操作由NORed完成以获取Z标志。ALU具有4位功能总线,最多可实现16个操作码。

乘数因子

乘数因子有3个32位输入,输入从寄存器文件返回。乘数输出仅是商品的32个最低有效位。上图显示了乘数因子的实体表示。每当开始的04输入激活时,乘法就开始。完成后,输出的Fin变高。

Booth算法

Booth算法是2补码的值得注意的乘法算法规则。这样可以统一对待正数和负数。此外,在不执行任何加法或减法的情况下,跳过乘数因子内的0或1的行程,从而可能实现更快的乘法。该图显示了乘法器测试台的仿真结果。显然,乘法仅在16个时钟周期内完成。

桶式移位器

桶形移位器具有要移位的32位输入。该输入是从寄存器文件返回的,或者它可能是立即数据。移位器具有从指令寄存器返回的不同控制输入。指令中的Shift字段控制桶形移位器的操作。该字段指示要执行的移位类型(逻辑左或右,算术右或右旋转)。寄存器应该移位的数量包含在指令的立即数字段中,或者可能是寄存器文件中寄存器的低6位。

shift_val输入总线为6位,最多允许32位移位。移位类型指示所需的移位种类00、01、10、11分别对应于左移位,右移位,算术右移位和右旋转。桶形移位器特别是由多路复用器创建的。

控制单元

对于任何微处理器,控制单元都是整个过程的核心,它负责系统的运行,因此控制单元的设计是整个设计中最重要的部分。控制单元有时是纯组合电路设计。在此,控制单元由简易状态机实现。处理器时序另外包含在控制单元内。来自控制单元的信号连接到处理器内的每个组件,以监督其操作。

ARM单片机功能图

必须解释的最后一件事是ARM的使用方式以及芯片的显示方式。与处理器接口的各种信号是输入,输出或监控信号,将用于控制ARM操作。

ARM单片机功能图


Cortex处理器的其他用途

1.它是精简指令集的计算控制器

32位高性能中央处理器;
三级管道,紧凑型。

2.它具有THUMB-2技术

与16/32位指令合并;
高性能。

3.它支持工具和RTOS及其核心Sight调试和跟踪

JTAG或2针串行线调试连接;
支持多个处理器。

4.低功耗模式

它支持睡眠模式;
控制软件包;
多个电源域。

5.嵌套向量中断控制器(NVIC)

低延迟,低噪声中断响应;
无需汇编编程。