Hoe ARM -processors werken: opslag, endiaanse en geheugenbeheer

De ARM-microprocessor, een 32-bit RISC-architectuur, wordt veel gebruikt in ingebedde systemen vanwege het lage stroomverbruik en hoge efficiëntie.De applicaties omvatten mobiele apparaten, industriële controle, netwerken en multimedia.De evolutie, opslagindelingen en instructiesets van Arm, inclusief RISC- en duimtechnologie, verbeteren de veelzijdigheid en prestaties ervan.

Catalogus

Wat is een ARM -microprocessor?

De ARM-architectuur, oorspronkelijk aangeduid als de Advanced RISC-machine en de Acorn RISC-machine, vertegenwoordigt een 32-bit verminderde instructieset (RISC) processorontwerp.Deze architectuur heeft een aanzienlijke tractie gekregen in het rijk van de ontwikkeling van ingebed systeemontwikkeling, grotendeels vanwege het opmerkelijke lage stroomverbruik en uitzonderlijke energie -efficiëntie.Dergelijke kenmerken maken het bijzonder geschikt voor mobiele communicatietoepassingen.

Voorbeelden van apparaten die gebruikmaken van ARM -processors zijn:

- Draagbare gadgets zoals PDA's, mobiele telefoons, multimedia -spelers en handheld elektronische spellen.

- Computerrandapparatuur, inclusief harde schijven en desktoprouters.

- Militaire uitrusting, met name raket aan boordcomputers.

Door de veelzijdigheid van de ARM -microprocessor kan deze zich aanpassen aan verschillende consumentenelektronica, waardoor de gebruikerservaring wordt verbeterd met behoud van een focus op duurzaamheid en efficiëntie.

Toepassingsveld en kenmerken van armmicroprocessor

ARM -processors vertonen een uitgebreid marktbereik en een veelbelovend traject voor ontwikkeling.Momenteel bevelen ARM-gebaseerde 32-bit microprocessors 80% van het marktaandeel.De meeste IC -fabrikanten hebben eigen armchips ontwikkeld.

Industriële controletoepassingen:

ARM-kerngebaseerde microcontrollers, met hun 32RISC-architectuur, domineren het hoogwaardige segment van de microcontroller-markt en doordringen in toenemende mate low-end toepassingen.Hun efficiënte energieverbruik en gunstige kostenperformatieverhouding vormen een formidabele uitdaging voor traditionele 8-bit en 16-bit microcontrollers.

Draadloze communicatie:

Momenteel wordt ARM -technologie gebruikt in meer dan 85% van de draadloze communicatie -apparaten, waardoor de status in deze sector wordt versterkt door het aanbieden van hoge prestaties tegen lagere kosten.

Netwerkapparatuur:

Met de vooruitgang van breedbandtechnologie, krijgen ARM-gebaseerde ADSL-chips grip op concurrerende markten.Bovendien ontvangen ARM's optimalisaties in spraak- en videoverwerking aanzienlijke steun, waarbij het DSP -applicatieveld wordt uitgedaagd.

Consumentenelektronica:

ARM-technologie ondersteunt populaire digitale audiospelers, digitale settopboxen en gameconsoles, waardoor de gebruikerservaring gestaag wordt verrijkt.

Beeldvorming en beveiligingsproducten:

Een aanzienlijk aantal digitale camera's en printers bevat ARM -technologie.Bovendien maken de 32-bit SIM-smartcards in telefoons voor het gebruik van ARM-technologie.

ARM -processorfuncties:

- Compact ontwerp, krachtefficiëntie, kosteneffectiviteit en robuuste prestaties

-Ondersteuning voor duim (16-bit) en arm (32-bit) dubbele instructiesets, waardoor compatibiliteit wordt gewaarborgd met 8-bit en 16-bits apparaten

- Overvloed van registers die snelle instructie -uitvoering vergemakkelijken

- voornamelijk op registratie gebaseerde gegevensbewerkingen

- Flexibele en eenvoudige adresmethode die bijdraagt ​​aan operationele efficiëntie

- uniforme instructielengte

Duik in kernconcepten rondom arm

Von Neumann -systeem

Structureel model:

Systeemkenmerken:

De synergie van gegevens en instructies die zich in een uniform opslagdomein bevinden, vertoont een vereenvoudiging die veel vroege computers voedt.Het dubbele gebruik van een enkele gegevensbus voor het ophalen van zowel instructies als gegevens, ondanks zijn eenvoud, geeft een beperking.ARM7 gebruikt deze architectuur, met een voorbeeld van eenvoud verweven met prestatiebeperkingen, omdat gelijktijdige gegevens ophalen ongrijpbaar blijven.

Harvard -systeem

Structureel model:

Structurele kenmerken:

Duidelijke scheiding tussen programma -geheugen en gegevensgeheugen wordt waargenomen, die elk zijn eigen bus benutten om een ​​uitgebreide geheugenbandbreedte te leveren, waardoor het geschikt is voor toepassingen voor digitale signaalverwerking.Dit onderscheidend vermogen komt voor in de meeste DSP's die zijn ontworpen op basis van Harvard -architectuurprincipes.ARM9, een belichaming van de Harvard-architectuur, verdeelt het geheugen elegant in drie categorieën: programma, gegevens en gedeelde programmadata-ruimtes, die tegemoet komen aan ingewikkelde rekenbehoeften.

Functies van complexe instructieset computer (CISC):

Met een divers scala aan instructies en adresseringsmodi kunnen CISC -architecturen uitgebreide rekenmogelijkheden bieden.Een opmerkelijke observatie is de 8/2 -regel, wat onderstreept dat 80% van de uitvoering van het programma is afhankelijk van slechts 20% van de beschikbare instructies.Hoewel deze uitgebreide aanvulling van instructies en circuits culmineert in krachtige verwerking, resulteert het ook in verhoogde ruimtelijke en vermogensvereisten.

Reduced Instruction Set Computer (RISC)

Functies:

Gericht op het implementeren van essentiële instructies die het uitvoeren van fundamentele bewerkingen snel mogelijk maken, vergemakkelijkt RISC -architectuur de uitvoering van de versnelde instructies door eenvoudigweg te zorgen voor eenvoudige gegevensactiviteiten.RISC hanteert een load-store-aanpak waarbij de processor gegevensafhandeling beperkt tot registers;Specifieke load-store instructies orkestreren gegevensuitwisseling tussen registers en externe opslag.Stroomlijnd het CPU -ontwerp, RISC omvat minder circuiteenheden, die compactheid opleveren en een verminderd energieverbruik opleveren.

Onderscheid maken van RISC- en CISC -architecturen

Registreergebruik:

De RISC -instructieset beschikt over een overvloed aan veelzijdige registers die bedreven zijn in het vasthouden van zowel gegevens als adressen, waardoor SWIFT -gegevenstoegang essentieel is voor efficiënte bewerkingen.Omgekeerd hanteert de CISC -instructieset vaak registers voor nauw gedefinieerde rollen, waardoor veelzijdigheid wordt beperkt.

Structuur van de laadwinkel:

RISC-architectuur kampioen een registergerichte aanpak waarbij exclusieve instructies voor load-winkels toezicht houden op gegevensoverdracht tussen registers en extern geheugen, waardoor de frequentie van externe geheugentoegang wordt verminderd en het hergebruik van het opgeslagen gegevens wordt geoptimaliseerd.CISC -architectuur kan daarentegen direct geheugengegevensverwerking mogelijk maken, waardoor flexibiliteit wordt geboden ten koste van verhoogde complexiteit.

ARM -opslagindeling

ARM-opslag is georganiseerd om gegevens te bewaren in 8-bits eenheden, bekend als bytes, waarbij elke eenheid een specifiek adres heeft toegewezen.

Arm geheugenperspectief

ARM interpreteert geheugen als een volgorde van opeenvolgende bytes die beginnen met nuladres.Het maakt gebruik van zijn 32-bit microprocessor-mogelijkheid om een ​​uitgebreide adresseringsruimte te bieden die tot 4 GB (2^32 bytes) reikt.

Gegevensarrangement in armgeheugen

De opstelling van opgeslagen gegevens volgt een specifiek patroon:

- De initiële woordgegevens strekken zich uit van nul tot drie bytes.

- De daaropvolgende woordgegevens omvatten opeenvolgend van de vierde byte tot de zevende byte.

De 32-bit woordgegevens bezetten vier adrescellen, terwijl 16-bit halfwoord gegevens twee adrescellen gebruiken.Een dergelijke verdeling leidt af en toe tot complicaties met betrekking tot de volgorde van het opslaan van woord- of halfwoordgegevens.

Endianess in armarchitectuur

ARM-architectuur vergemakkelijkt woordgegevensopslag via twee verschillende methoden: groot-endiaanse en kleine endiaanse formaten.

Groot-endiaans formaat

Dit formaat positioneert de hoge bytes van woordgegevens in lagere adresruimtes, terwijl de lagere bytes van woordgegevens zich bevinden in hogere adresruimtes.

Little-Endiaans formaat

Omgekeerd worden in weinig endiaanse indeling lagere adresruimtes gebruikt om de lage byte van de woordgegevens op te slaan, terwijl hogere adresruimtes de hoge byte van het woordgegevens bewaren.Over het algemeen wordt ARM standaard ingesteld op kleine endian -opmaak.

ARM -architectuurinzichten

Verkenning van armreeksproducten

Diverse classificatie van ARM -processors

Instructieset architectuurclassificatie:

- V1

- V2

- V5

- v5tej

- v6 en anderen

Processor kernelclassificatie:

- ARM7

- ARM9

- ARM10

- ARM11

- Sterke arm

- Xscale, onder vele anderen

Evolutionaire reis van armarchitectuurversies

De reis van ARM Architecture is een tapijt van technologische vooruitgang geweest, gekenmerkt door verschillende versies:

- V1

- V2

- V3

- V4

- V5

- V6

De V1 -architectuurversie onthullen

De V1 -architectuur, die doet denken aan een baanbrekende geest, verscheen uitsluitend in het ARM1 -prototype en onthulde zijn essentie door belangrijke kenmerken:

- Fundamentele instructies voor gegevensverwerking (SANS Multiplication)

- Laad-/opslaginstructies voor bytes, halve woorden en woorden

- Instructies voor overdracht, over Subroutine Call en Link

- Instructies voor het verwerken van software onderbreken

- Adresseringscapaciteit: 64m bytes (26)

Verkenning van de V2 -architectuurversie

De V2 -architectuur, een verbetering van V1, zoals te zien in ARM2 -architectuur, omvat:

- Instructies voor vermenigvuldiging en geavanceerde vermenigvuldiging

- Ondersteuning van co-processor-werking

- Versnelde onderbrekingsmodus

- SWP/SWPB basisgeheugen- en registeruitwisselingsinstructies

- Adresseringscapaciteit: 64m bytes

Gedetailleerd overzicht van de V3 -architectuurversie

De V3 -architectuur presenteert uitgebreid aan de adressen, helpen in:

- Het aanpakken van ruimte toegenomen tot 32 bits (4G bytes)

- Introductie van CPSR- en SPSR -registers voor de verwerking van de Adept uitzonderingen

- Abort en ongedefinieerde processorkode toegevoegd

- Het omarmen van ARM6 -gebruik onder deze architectuur

- Instructieset Verbeteringen: MRS/MSR -instructies die toegang hebben tot nieuw toegevoegde CPSR/SPSR -registers;Retourcapaciteiten uitzonderingsbehandeling

Veelzijdige functies van de V4 -architectuurversie

Op het gebied van V4 -architectuur brengt deze versie wijdverbreide toepassing en verdere vooruitgang ten opzichte van V3, waardoor de essentie van aanpassingsvermogen wordt ingekapseld.ARM7, ARM8, ARM9 en sterke arm nemen deze architectuur op.

Nieuwe instructieset Functies:

- Instructies laden/opslaan voor zowel ondertekende als niet -ondertekende halfwoorden en ondertekende bytes

- Inleiding van de veelzijdige 16-bit duiminstructieset

- Verbeterde SWI Software Interrupt -instructiemogelijkheden

- Opname van de processorprivilege -modus

Geavanceerde functies in de V5-architectuurversie

De V5 -architectuur staat als een baken van recente evolutie, die nieuwe instructies inbedden van de V4 en ARM10- en XSCale -applicaties.Deze geavanceerde instructies zijn onder meer:

- BLX -overdrachtsinstructies met het koppelen en ruilen van functies

- leidende nul count clz instructie

- BKPT -software -breekpuntinstructie

- Aanvullende instructies voor signaalverwerking

- Uitgebreide optionele instructies voor coprocessors

Levendige attributen van de V6 -architectuurversie

De V6-architectuur komt naar voren als een passende metgezel voor draagbare apparatuur op batterijen, die doordachte verbeteringen aantoont:

- SIMD -functie -extensie versterken van audio- en videoprowess in ingebedde systemen.

Essentiële richtlijnen voor het selecteren van armchips

In praktische toepassingsscenario's vormen verschillende factoren het besluitvormingsproces bij het selecteren van ARM-chips:

ARM Core Architecture

Voor degenen die ervoor kiezen om besturingssystemen zoals Wince of Linux te gebruiken om softwareontwikkelingstijdlijnen te stroomlijnen, selecteert het selecteren van ARM -chips die zijn uitgerust met MMU -mogelijkheden - zoals die van de ARM720T en omhoog - voordelig.

Systeemklokdynamiek

De systeemklok beïnvloedt ingewikkeld de verwerkingssnelheid van de ARM -chip.ARM7 -chips leveren snelheden van 0,9 MIPS/MHz, met hoofdklokfrequenties die zich uitstrekken tussen 20 MIPS en 133 MHARM9 -chips bieden daarentegen verbeterde snelheden van 1,1 MIPS/MH

Intrinsieke geheugenoverwegingen

Voor scenario's zonder de behoefte aan uitgebreid geheugen, presenteren armchips uitgerust met intern geheugen zichzelf als levensvatbare alternatieven.

GPIO -bruikbaarheidsspectrum

ChIP -fabrikanten specificeren vaak maximale GPIO -mogelijkheden, met talloze pinnen die verdubbelen als adres, gegevens of seriële lijnen.Bijgevolg wordt het evalueren van het werkelijke bruikbare GPIO -aantal cruciaal tijdens systeemontwerp, waardoor potentiële beperkingen en veelzijdige toepassingen worden onthuld.

USB -integratie

Met de opname van USB -controllers hebben veel ARM -chips ingebouwde mogelijkheden;Sommigen integreren zelfs zowel USB -host- als USB -slavencontrollers en bieden verschillende interactiemogelijkheden.

Interrupt Handling Mechanics

Het fundamentele ARM -kernontwerp omvat slechts twee onderbrekingsvectoren: Fast Interrupt (FIQ) en Standard Interrupt (IRQ).Halfgeleiderontwikkelaars Vergroot chipontwerpen met op maat gemaakte interruptcontrollers voor hardware -onderbrekingen, spanning seriële poorten, externe triggers en klokonderbrekingen.Het doordachte externe interruptontwerp kan de complexiteiten van taakplanning effectief verminderen, waardoor naadloze operationele stroom wordt vergemakkelijkt.

LCD Display Integration

Bepaalde ARM -chips huis intrinsieke LCD -controllers en kunnen geavanceerde 64K Color TFT LCD -controllers omvatten.Deze zijn met name geschikt voor PDA -ontwerpen of handheld display- en opnameapparaten, waardoor levendige visuele uitgangen zijn afgestemd op specifieke gebruikersinteracties.

Busuitbreiding veelzijdigheid

Vaak omvatten armchips externe interfaces voor het uitbreiden van SDRAM en SRAM.Variaties in ARM -chipontwerpen bepalen het aantal chips dat wordt uitgebreid via verschillende routes, waardoor de breedte van de applicaties wordt beïnvloed.Specifieke modellen, zoals PUC3030A van Micronas, missen dergelijke externe mogelijkheden, waarbij alternatieve architecturale benaderingen worden verplicht.

Verpakkingsopties

ARM -chips worden geleverd in gevarieerde verpakkingsstijlen zoals QFP, TQFP, PQFP, LQFP, BGA en LBGA.BGA -verpakkingen onderscheidt zich voor het verminderen van chipafmetingen en PCB -gebiedsvereisten, ondanks het noodzakelijk maken van gespecialiseerde lastechnologie die verder gaat dan handmatige mogelijkheden.Standaard BGA-packed arm-chips Verdere vraag verdere vraag meerlagen PCB-bedrading, verder dan dubbele paneel PCB-interconnecties.

Duimtechnologie -inzichten

De evolutie van Arm's RISC -architectuur biedt innovatieve oplossingen die worden gekenmerkt door opmerkelijke krachtefficiëntie, gecondenseerde grootte en verbeterde prestaties.Om de uitdagingen van de codelengte aan te pakken, bevat ARM -architectuur de T -variant, waarbij een onderscheidend instructiesysteem wordt gepleegd dat bekend staat als de duiminstructieset.

Kenmerken van vuist

De duiminstructieset, een uitbreiding van de arm, introduceert 36 instructieformaten afgeleid van de traditionele 32-bits ARM-instructieset.Deze formaten kunnen adaptief worden omgezet in 16-bit opcodes, waardoor codedichtheid wordt geoptimaliseerd.

Processorstatus veelzijdigheid

De architectuur van Arm, in staat om duimondersteuning te integreren, maakt naadloze overgangen naar de duimstaat mogelijk.Binnen deze status houdt de processor zich bezig met de 16-bit duiminstructieset.

Duim versus arm: vergelijkende analyse

Het vergelijken van de effectiviteit van de arm- en duiminstructiesets onthult opmerkelijke onderscheidingen.Duiminstructies vereisen meestal extra processen om vergelijkbare taken uit te voeren, wat wijst op de geschiktheid van ARM voor tijdgevoelige toepassingen.

In scenario's die uitzonderingsafhandeling vereisen, ontbreekt de instructieset van duim niet aan specifieke instructies.Bijgevolg moeten ARM -instructies duim aanvullen om uitzonderlijke onderbrekingen efficiënt te beheren.Dit benadrukt de synergetische relatie tussen duim- en ARM -instructies.

Veelgestelde vragen [FAQ]

1. Wat zijn de zeven bedrijfsmodi van een ARM -microprocessor?

De ARM -processor werkt in meerdere modi voor specifieke taken.User Mode (USR) voert applicaties uit, terwijl FIQ en IRQ hanteren op hoge prioriteit en standaardonderbrekingen.SVC beheert OS -bronnen, SYS voert bevoorrechte taken uit, ABT verzorgt fouten van gegevenstoegang en beheert niet -herkende instructies.De CPU schakelt automatisch van modi of via software.Behalve de gebruikersmodus, zijn ze allemaal bevoorrecht, met vijf - excludeerde sys - geclassificeerd als uitzonderingsmodi.

2. Wat zijn de basisadresseringsmethoden van een ARM -microprocessor?

De ARM -processor maakt gebruik van negen fundamentele adresseringsmodi, die de locatie van de operand bepalen op basis van de in de instructie opgegeven adrescode.Deze modi omvatten registeradressing, onmiddellijke adressering, registerverschuivingsadressing, registerindirect adressering, variabele adressering, multi-register-adressering, stapeladressen, blokkeringsadres en relatieve adressen.Elke modus biedt een afzonderlijke methode voor toegang tot gegevens, waardoor de flexibiliteit en efficiëntie van de processor bij het uitvoeren van taken wordt verbeterd.

3. Hoeveel registers van algemene doeleinden heeft een ARM-processor?

De ARM -microprocessor is uitgerust met in totaal 37 registers, elk 32 bits groot.Onder deze worden 31 aangeduid als algemene registers.Met name zijn R13 en R13_SVC onderscheiden van elkaar, waardoor specifieke taken effectief kunnen worden beheerd.Bovendien zijn er 6 staatsregisters die een cruciale rol spelen bij het handhaven van de operationele status van de processor.