ARMv4指令集仿真平台设计.docx

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
在工业控制领域内,作为 32 位的 RISC 架构,基于 ARM 核的微控制器芯
片不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额,同时也逐渐向低端微控制
器应用领域扩展,ARM 微处理器的低功耗、高性价比,向传统的 8 位/16 位微
控制提出了挑战;
在无线通讯领域内,目前已有超过 85%的无线通讯设备采用了 ARM 技
术,ARM 以其高性能和低成本,在该领域的地位日益巩固;
在网络应用领域内,随着宽带技术的推广,采用 ARM 技术的 ADSL(非
对称数据用户线)芯片正逐步获得竞争优势。此外,ARM 在语音及视频处理
上进行了优化,并获得广泛支持,也对 DSP(数据信号处理)的应用领域提出
了挑战;
在消费类电子产品领域内,ARM 技术在目前流行的数字音频播放器、数
字机顶盒和游戏机中得到广泛采用;
在成像和安全产品领域内,现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用
ARM 技术。手机中 32 位 SIM 智能卡也采用了 ARM 技术。


ARM 微处理器结构
ARM 处理器实现加载/存储(load/store)体系结构,是典型的 RISC 处理
器。只有加载和存储指令可以访问存储器。数据处理指令只对寄存器的内容进
行操作。传统的 plex Instruction puter,复杂指令集计算
机)技术的指令集随着计算机的发展而引入了各种各样的复杂指令,使得指令
集和为此要实现这些指令的计算机体系结构越来越复杂,已经不堪重负。经过
大量的研究和分析,发现在 CISC 的指令集中,各种指令的使用频率相差悬
殊。大概有 20%的指令被反复和使用,使用量约占整个程序的 80%;而有 80%
左右的指令则很少使用,其使用量约占整个程序的 20%,这就是所谓的 20%-
80%定律。RISC 特点如下:指令规整、对称、简单,指令小于 100 条,基本
寻址方式有 2-3 种;单周期指令,指令字长度一致,单节拍完成,便于流水操
作,对 ARM 处理器来说,ARM7 为三级流水线,ARM9 为五级流水线,
ARM10 为六级流水线;大量的寄存器,寄存器不少于 32 个,数据处理指令只
对寄存器的内容操作,只有加载/存储指令可以访问存储器。
ARM 处理器共有 37 个寄存器。这些寄存器被安排成部分重叠的组。每种
处理器模式都有不同的寄存器组。分组的寄存器在处理处理器异常和特权操作
时可得到快速的上下文切换。这 37 个寄存器包括 31 个通用寄存器和 6 个状态
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寄存器。同时 ARM 处理器又有 7 种不同的处理器模式,在每一种微处理模式
下均有一组相应的寄存器与之对应。也就是说,在任意一种处理器模式下,可
访问的寄存器包括 15 个通用寄存器、1~2 个状态寄存器和程序计数器。在所
有寄存器中,有些是在 7 种处理器模式下共用的同一个物理寄存器,而有些寄
存器则是在不同的处理器模式下有不同的物理寄存器。


ARM 指令集体系结构的版本
ARM 指令集体系结构从开发出来至今,已经发生了重大的演变,未来也
将继续发展。为了精确表述在每个 ARM 实现中所使用的指令集,到目前为
止,将其定义了 5 种主要版本,分别用版本号 1~5 表示。
该 5 种版本的 ARM 指令集体系结构如下:
版本 v1。这种版本只由 ARM1 实现,从未用于商用产品。它包含:基本
的数据处理指令(不包含乘法);字节、字和半字的加载/存储(load/store)指
令;分支(branch)指令,包括设计用于子程序调用的分支和链接指令;软件
中断指令,用于进行操作系统调用。版本 v1 只有 26 位寻址空间,现已废弃不
用。
版本 v2。这个版本通过增加如下内容,对体系结构版本 v1 进行了扩展,
即乘法和乘加指令;协处理器支持;快速中断模式中的 2 个以上分组的寄存
器;称为 SWP 和 SWPB 的原子性(atomic)加载和存储指令。版本 v2 和 v2a
仍只有 26 位寻址空间,现在已废弃不用。
版本 v3。这个体系结构版本将寻址范围扩展到了 32 位。程序状态信息由
过去存于 R15 中移到一个新的当前程序状态寄存器 CPSR(Current Porgram
Status Register)中。增加了程序状态保存寄存器 SPSR(Saved Program Status
Register),以便当异常出现时保留 CPSR 的内容。因此,版本 v3 的指令集发
生了如下变化:增加了 2 个指令(MRS 和 MSR),以允许访问新的 CPSR