arm920t架构cpu详解

　　先来谈一下ARM的发展史：1978年12月5日，物理学家赫尔曼·豪泽（Hermann Hauser）和工程师Chris Curry，在英国剑桥创办了CPU公司（Cambridge Processing Unit），主要业务是为当地市场供应电子设备。1979年，CPU公司改名为Acorn计算机公司。

　　80年代中期，Acorn的一个小团队要为他们的下一代计算机挑选合适的处理器，根据他们提供的技术需求，在当时的市场上无法找到合适的处理器，于是Acorn决定自己设计一个处理器（真有魄力）。一个小团队仅仅用了18个月就完成了从设计到实现的全过程，这是一台RISC指令集的计算机，叫做Acorn RISC Machine（简称ARM）。后来Acorn公司没落了，而处理器设计部门被分了出来，组成了一家新公司。

　　ARM公司主要设计ARM系列AISC处理器内核，它不生产芯片，只提供IP核。先以一个例子解释一下架构、核、处理器和芯片：S3C2440，这是一款SoC芯片，注意，它不是cpu，2440和我们熟知的51单片机有点类似，都属于嵌入式，嵌入式的发展到目前经历了三个阶段，分别是SCM、MCU、SoC。51属于SCM或MCU，而2440就属于SoC了，先来看看51单片机的内部结构

　　

　　ARM9系列

　　ARM9 系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。具有以下特点：

　　－ 5 级整数流水线，指令执行效率更高。

　　－ 提供 1.1MIPS/MHz 的哈佛结构。

　　－ 支持 32 位 ARM 指令集和 16 位 Thumb 指令集。

　　－ 支持 32 位的高速 AMBA总线接口。

　　－ 全性能的 MMU，支持 Windows CE、Linux、Palm OS等多种主流嵌入式操作系统。

　　－ MPU支持实时操作系统。

　　－ 支持数据 Cache 和指令Cache，具有更高的指令和数据处理能力。

　　ARM9 系列微处理器主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。

　　ARM9 系列微处理器包含 ARM920T、ARM922T和 ARM940T 三种类型，以适用于不同的应用场合。

　　ARM9E系列

　　ARM9E 系列微处理器为可综合处理器，使用单一的处理器内核提供了微控制器、DSP、Java

　　应用系统的解决方案，极大的减少了芯片的面积和系统的复杂程度。ARM9E 系列微处理器提供了

　　增强的 DSP 处理能力，很适合于那些需要同时使用 DSP 和微控制器的应用场合。

　　ARM9E 系列微处理器的主要特点如下：

　　－ 支持 DSP 指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合。

　　－ 5 级整数流水线，指令执行效率更高。

　　－ 支持 32 位 ARM 指令集和 16 位 Thumb 指令集。

　　－ 支持 32 位的高速 AMBA总线接口。

　　－ 支持 VFP9 浮点处理协处理器。

　　－ 全性能的 MMU，支持 Windows CE、Linux、Palm OS等多种主流嵌入式操作系统。

　　－ MPU支持实时操作系统。

　　－ 支持数据 Cache 和指令Cache，具有更高的指令和数据处理能力。

　　－ 主频最高可达 300MIPS。

　　ARM9 系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、存储设备和网络设备等领域。

　　ARM9E 系列微处理器包含 ARM926EJ-S、ARM946E-S 和 ARM966E-S 三种类型，以适用于不同的应用场合。

　　ARM920T的结构与特性

　　三星S3C2440A芯片自称处理器，但其实它是采用了ARM公司设计的ARM920T CPU加上一些其他组件，然后把它们封装在一起形成的一个多功能芯片。这里关注的是ARM920T CPU，下面就去看一看它的内部结构。

　　ARM920T CPU结构

　　mini2440开发板采用了S3C2440A芯片，而S3C2440A芯片又采用了ARM公司设计的ARM920T CPU。上次研究了计算平台—mini2440开发板。发现上面有个叫S3C2440A的黑盒子，并打开了它，发现它里面又有许多黑盒子，并且对其中一些黑盒子做了简要的介绍，如图3-1所示。另外，为了便于阅读，把2-4的图又搬过来，笔者觉得虽然增加篇幅，但是节省了回去翻书的时间。

　　图就是S3C2440A这个黑盒子内部结构图，其实早已看过，不过上次我们没有继续拆开它里面的黑盒子。其中有个非常重要的黑盒子—ARM920T，它才是这次要关注的重点，下面打开它，看看它里面又有什么，如图3-2所示。

　　

　　ARM920T里面的黑盒子以及功能单元如下：

　　1）JTAG：一种调试或者测试芯片的接口，可以通过JTAG接口访问CPU的内部寄存器和挂在总线上的设备，如Flash、RAM等，我们不必过多关注。

　　2）ARM9TMDI：它才是真正运行程序的。

　　3）指令、数据MMU：包括两个C13一起处理内存地址映射的。

　　4）指令、数据Cache：包括写回PATAG RAM、写缓冲，一起完成高速缓存的功能。

　　5）CP15：这里是用于控制MMU和Cache的，还可以控制别的器件，不同的系统配置下是不同的。

　　

　　6）外部协处理器接口：ARM920T可以加入多达15个协处理器，如增加一个浮点运算处理器等。

　　7）AMBA总线接口：ARM920T内部就是通过它和外部内存及其他设备通信的。

　　不过不需要把所有的东西都弄得一清二楚。我们主要关注4个部分：①CPU内核：和ARM920T内部的其他部件一起工作，用来运行程序。包括操作系统内核和应用程序。②MMU：映射内存，主要用于实现虚拟内存，什么是虚拟内存后面会介绍的。③Cache：缓存内存中的指令和数据，它比内存小很多但快很多，把内存中的一部分内容放在Cache里面，这样可以加快程序的运行速度，后面也会详细介绍的。④CP15：它在ARM920T内部称为协处理器，在这里是专门用于控制MMU和Cache的。可以看到ARM920T还能通过外部协处理器接口增加其他协处理器。

　　CPU内核对应于图3-2中的ARM9TMDI。操作系统和应用程序都需要它执行，所以我们写操作系统内核之前，必须先仔细了解它，以及ARM920T的其他组件。后面会重点研究ARM920T的程序员模型，即指令集、工作模式、寄存器等。

　　MMU对应于图3-2中的指令MMU、数据MMU。为什么有两个MMU，通常情况下一个MMU不就够了吗？是的，大部分CPU确实只有一个MMU，然而这里有两个，这是因为ARM920T内部采用了哈佛架构。哈佛架构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器架构。是一种并行体系架构，指令和数据可以独立存取，这样就大大提高了程序的运行性能。

　　Cache对应于图3-2中的指令Cache、数据Cache，同样也是因为哈佛架构才会有两个Cache。它们都是16KB。关于Cache的工作机制，后面会专门介绍，现在只要知道它是用来缓存内存中的数据的，速度比内存快很多。

　　CP15对应于图3-2中的CP15，称为协处理器。在ARM920T中，CP15控制着MMU和Cache，比如我们要打开或者关闭MMU、改变地址映射关系、打开或者关闭Cache、锁定Cache中的内容、使Cache中的数据变为无效等。这些功能都将通过操作CP15协处理器而达到