ARM微處理器介紹1ARM微處理器概述ARM（AdvancedRISCMachines）是一個公司的名字，也是一類微處理器的通稱。1991年ARM公司成立於英國劍橋主要出售晶片設(shè)計技術(shù)的授權(quán)。目前採用ARM技術(shù)知識產(chǎn)權(quán)（IP）核的微處理器，即我們通常所說的ARM微處理器。ARM現(xiàn)在已遍及工業(yè)控制消費(fèi)類電子產(chǎn)品通信網(wǎng)路系統(tǒng)ARM的微處理器應(yīng)用約佔(zhàn)32位元RISC微處理器75%以上的市場比例ARM系統(tǒng)架構(gòu)自誕生至今，已定義了6種不同的版本2ARM微處理器特點(diǎn)一般ARM微處理器具有如下特點(diǎn)：體積小、低功耗、低成本、高性能。支援Thumb（16位）/ARM（32位元）雙指令集，能很好的相容8位/16位器件。大量使用暫存器，指令執(zhí)行速度更快。大多數(shù)資料操作都在暫存器中完成。定址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高。指令長度固定。3ARM6/7核心(Core)架構(gòu)

核心特色3stage管線(pipeline)32bitALUand暫存器4ARM系統(tǒng)匯流排(Bus)架構(gòu)-AMBAAMBA(AdvancedMicrocontrollerBusArchitecture)AHB(AdvancedHigh-performanceBus):highspeedbusASB(AdvancedSystemBus):tristatebusAPB(AdvancedPeripheralBus):LowspeedbusBridge:connecttwobussystemMaster:InitiatetherequestSlave:RespondtherequestArbiter:DecidewhichMastertousethebusDecoder:AddressdecodefortheSlaveARMcoreSlaveDeviceMasterDeviceBridgeAHBDecoderUARTtimerAHBorASBAPBAHBArbiter5ARM系統(tǒng)架構(gòu)-v1版架構(gòu)該架構(gòu)只在原型機(jī)ARM1出現(xiàn)過，具基本性能：基本的資料處理指令（無乘法）；位元組、半字和字的Load/Store指令；轉(zhuǎn)移指令，包括副程式調(diào)用及鏈結(jié)指令；軟體中斷指令；定址空間：64MB(226)。6ARM系統(tǒng)架構(gòu)-2v2版架構(gòu)該版架構(gòu)對v1版進(jìn)行了擴(kuò)展，如ARM2與ARM3(v2a版)架構(gòu)，增加了以下功能：乘法和乘加指令；支援輔助運(yùn)算器操作指令；快速中斷模式；SWP/SWPB的最基本記憶體與暫存器交換指令；定址空間：64MB7ARM系統(tǒng)架構(gòu)-v3版架構(gòu)該版對ARM體系結(jié)構(gòu)作了較大的改動，把定址空間增至32位(4GB)，增加了當(dāng)前程式狀態(tài)暫存器CPSR和程式狀態(tài)保存暫存器SPSR以便於異常處理。增加了中止和未定義2種處理器模式。ARM6就採用該版結(jié)構(gòu)。指令集變化如下：增加了MRS/MSR指令，以訪問新增的CPSR/SPSR暫存器；增加了從異常處理返回的指令功能。8ARM系統(tǒng)架構(gòu)-v4版架構(gòu)V4版結(jié)構(gòu)是目前最廣泛應(yīng)用的ARM體系結(jié)構(gòu)，對v3版架構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步擴(kuò)充，有的還引進(jìn)了16位元的Thumb指令集，使ARM使用更加靈活。ARM7、ARM9和StrongARM都採用了該版結(jié)構(gòu)。其指令集中增加了以下功能：符號化和非符號化半字及符號化位元組的存/取指令；增加了16位元Thumb指令集；完善了軟體中斷SWI指令的功能；處理器系統(tǒng)模式引進(jìn)特權(quán)方式時使用用戶暫存器操作；把一些未使用的指令空間捕捉為未定義指令。9ARM系統(tǒng)架構(gòu)-v5版架構(gòu)在v4版基礎(chǔ)上增加了一些新的指令。ARM10和XScale都採用該版架構(gòu)。這些新增指令有：帶有鏈結(jié)和交換的轉(zhuǎn)移BLX指令；計數(shù)前導(dǎo)零計數(shù)CLZ指令；BRK中斷指令；增加了信號處理指令（v5TE版）；為輔助運(yùn)算器增加更多可選擇的指令。10ARM系統(tǒng)架構(gòu)-v6版架構(gòu)ARM體系架構(gòu)v6是2001年發(fā)佈的。有以下基本特點(diǎn)：100%與以前的體系相容；SIMD媒體擴(kuò)展，使媒體處理速度快1.75倍；改進(jìn)了的記憶體管理，使系統(tǒng)性能提高30%；改進(jìn)了的混合端(Endian)與不對齊資料支援，使得小端系統(tǒng)支援大端資料（如TCP/IP），許多RTOS是小端的；為即時系統(tǒng)改進(jìn)了中斷回應(yīng)時間，將最壞情況下的35週期改進(jìn)到了11個週期。預(yù)計2004年將推出v7版架構(gòu)。11ARM微處理器系列除了具有ARM架構(gòu)的共同特點(diǎn)以外，每一個系列的ARM微處理器都有各自的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。ARM7系列ARM9系列ARM9E系列ARM10E系列ARM11E系列Intel的XscaleIntel的StrongARM12ARM7微處理器系列ARM7系列微處理器為低功耗的32位RISC處理器，最適合用於對價位和功耗要求較高的消費(fèi)類應(yīng)用，ARM7微處理器系列具有如下特點(diǎn)：具有嵌入式ICE－RT邏輯，除錯開發(fā)方便。極低的功耗，適合對功耗要求較高的應(yīng)用，如攜帶型產(chǎn)品。能夠提供0.9MIPS/MHz的三級管線結(jié)構(gòu)。程式碼密度高並相容16位元的Thumb指令集。對作業(yè)系統(tǒng)的支援廣泛，包括WindowsCE、Linux、PalmOS等。指令系統(tǒng)與ARM9系列、ARM9E系列和ARM10E系列相容，便於用戶的產(chǎn)品升級換代。主頻最高可達(dá)130MIPS，高速的運(yùn)算處理能力能勝任絕大多數(shù)的複雜應(yīng)用。13ARM7微處理器系列ARM7系列微處理器的主要應(yīng)用領(lǐng)域為工業(yè)控制、Internet設(shè)備、網(wǎng)路和資料機(jī)設(shè)備、行動電話等多種多媒體和嵌入式應(yīng)用。ARM7系列微處理器包括如下幾種類型的核ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ。其中，ARM7TMDI是目前使用最廣泛的32位嵌入式RISC處理器，屬低端ARM處理器核。TDMI的基本含義為：T：支援16為壓縮指令集Thumb。D：支持片上Debug。M：內(nèi)嵌硬體乘法器（Multiplier）。I：嵌入式ICE，支持片上中斷點(diǎn)和除錯點(diǎn)。14ARM7系列結(jié)構(gòu)功能特性的比較

EmbeddedICE-RTETM7interfaceARMV4TARM7coreThumbinstructionsetEmbeddedICE-RTETM7interfaceARMV4TARM7coreThumbinstructionsetEmbeddedICE-RTETM9interfaceDSPJazelleARMV5TEJThumbinstructionsetMMU8KBcacheEmbeddedICE-RTETM7interfaceARMV4TARM7coreThumbinstructionsetAHBinterfaceARM7TDMIV4 ARM7TDMI-SV4ARM7EJrev1TEJARM720TV4 SynthesizableCoreJazelle&DSP 開放平臺的處理核心

15ARM9微處理器系列ARM9系列微處理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。ARM9系列微處理器包含ARM920T、ARM922T和ARM940T三種類型。ARM9具有以下特點(diǎn)：5級整數(shù)管線，指令執(zhí)行效率更高。提供1.1MIPS/MHz的哈佛結(jié)構(gòu)。支援32位元ARM指令集和16位元Thumb指令集。支援32位元的高速AMBA匯流排界面。全性能的MMU，支援WindowsCE、Linux、PalmOS等多種主流嵌入式作業(yè)系統(tǒng)。MPU支援即時操作系統(tǒng)。支援資料Cache和指令Cache，具有更高的指令和資料處理能力。16ARM9系列結(jié)構(gòu)ARM920T:Dual16kcachesforapplicationsrunningSymbianOS,PalmOS,LinuxandWindowsCE

ARM922T:Dual8kcachesforapplicationsrunningSymbianOS,PalmOS,LinuxandWindowsCE

ARM940T:Dual4kcachesforembeddedcontrolapplicationsrunningaRTOS17ARM9系列結(jié)構(gòu)功能特性的比較MMUDual8KBcacheEmbeddedICE-RTARMV4TARM9coreThumbinstructionsetASBinterfaceARM920Trev1 ARM922Trev1ARM940Trev2開放平臺處理核心開放平臺處理核心嵌入式RTOS核心

MMUDual8KBcacheEmbeddedICE-RTARMV4TARM9coreThumbinstructionsetAHBinterface保護(hù)單元Dual4KBcacheEmbeddedICE-RTARMV4TARM9coreThumbinstructionsetASBinterface18ARM9E系列結(jié)構(gòu)ARM9E特色:高性能與低功耗特性方面的最佳硬體單元DSP擴(kuò)充EmbeddedICE-RTdenugLogic1.1Mips/MHz,Five-stagepipelineTightlyCoupledMemory(TCM)主要是應(yīng)用在先進(jìn)的引擎管理，儀表儀器，安全系統(tǒng)，SetTopBox，PDA，網(wǎng)路電腦，或是智慧型電話。19ARM9E系列結(jié)構(gòu)20ARM9E系列結(jié)構(gòu)功能特性的比較

TCMInterfaceEmbeddedICE-RTETM9InterfaceARMv5TEARM9EcoreThumbinstructionsetAHBinterfaceARM966E-Srev2ARM946E-Srev1ARM926EJ-Srev0整合嵌入式核心整合嵌入式RTOS核心

Jazelle致能 整合開放平臺OS處理核心

保護(hù)單元靈活的cacheEmbeddedICE-RTDSP擴(kuò)充ETM9InterfaceARMv5TEARM9EcoreThumbinstructionsetAHBinterfaceMMU靈活的cacheTCMInterfaceEmbeddedICE-RTETM9InterfaceDSP擴(kuò)充Jazelle擴(kuò)充ARMv5TEJARM9coreThumbinstructionset雙ASBinterface21ARM10E微處理器系列ARM10E系列微處理器具有高性能、低功耗的特點(diǎn)，由於採用了新的架構(gòu)，與同等的ARM9器件相比較，在同樣的時鐘頻率下，性能提高了近50％同時，ARM10E系列微處理器採用了兩種先進(jìn)的省電方式，使其功耗極低。ARM10E系列微處理器的主要特點(diǎn)如下：援DSP指令集，適合於需要高速數(shù)位信號處理的場合。6級整數(shù)管線，指令執(zhí)行效率更高。援32位元ARM指令集和16位元Thumb指令集。援32位元的高速AMBA匯流排界面。援VFP10浮點(diǎn)處理輔助運(yùn)算器。全性能的MMU支援WindowsCE、Linux、PalmOS等多種主流嵌入式作業(yè)系統(tǒng)。援資料Cache和指令Cache，具有更高的指令和資料處理能力頻最高可達(dá)400MIPS。嵌並行讀/寫操作元件。22ARM10E系列結(jié)構(gòu)ARM10EThumb?Family

400-700MIPSLow-PowerSystem-on-ChipProcessorSolutions:23ARM11E系列系列結(jié)構(gòu)PowerfulARMv6instructionsetarchitectureLowpowerconsumption<0.4mW/MHz(0.13μm,1V)includingcachecontrollersHighperformanceintegerprocessor8-stageintegerpipelinedelivershighclockfrequencyHighperformancememorysystemdesignSupports4-64kcachesizesARMv6memorysystemarchitectureacceleratesOScontext-switchVectoredinterruptinterfaceOptionalVectorFloatingPointcoprocessor(ARM1136JF-S)forautomotive/industrialcontrolsand3Dgraphicsacceleration24ARM11E系列結(jié)構(gòu)ARM1136J-SandARM1136JF-S

25StrongARM微處理器系列IntelStrongARMSA-1100處理器是採用ARM架構(gòu)高度整合的32位元RISC微處理器。它融合了Intel公司的設(shè)計和處理技術(shù)以及ARM架構(gòu)的電源效率，採用在軟體上相容ARMv4架構(gòu)、同時採用具有Intel技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的架構(gòu)。IntelStrongARM處理器是攜帶型通訊產(chǎn)品和消費(fèi)類電子產(chǎn)品的理想選擇，已成功應(yīng)用於多家公司的掌上電腦系列產(chǎn)品。iPAQH3600PackPCHPJornadaHandheldPCPlamtop26Xscale處理器Xscale

處理器是基於ARMv5TE架構(gòu)的解決方案，是一款全性能、高成本效益比、低功耗的處理器。它支援16位元的Thumb指令和DSP指令集，已使用在數(shù)位行動電話、個人數(shù)位助理和網(wǎng)路產(chǎn)品等場合。Xscale

處理器是Intel目前主要推廣的一款A(yù)RM微處理器。

27選擇ARM微處理器的準(zhǔn)則1)ARM微處理器核心的選擇如果希望使用WinCE或標(biāo)準(zhǔn)Linux等作業(yè)系統(tǒng)以減少軟體發(fā)展時間，就需要選擇ARM720T以上帶有MMU（MemoryManagementUnit）功能的ARM晶片。ARM720T、ARM920T、ARM922T、ARM946T、Strong-ARM都帶有MMU功能。而ARM7TDMI則沒有MMU，不支持WindowsCE和標(biāo)準(zhǔn)Linux，但目前有uCLinux等不需要MMU支援的作業(yè)系統(tǒng)可執(zhí)行於ARM7TDMI硬體平臺之上。2)系統(tǒng)的工作頻率系統(tǒng)的工作頻率在很大程度上決定了ARM微處理器的處理能力。ARM7系列微處理器的典型處理速度為0.9MIPS/MHz，常見的ARM7晶片系統(tǒng)主時鐘為20MHz-133MHz。ARM9系列微處理器的典型處理速度為1.1MIPS/MHz，常見的ARM9的系統(tǒng)主時脈頻率為100MHz-233MHz，ARM10最高可以達(dá)到700MHz。28選擇ARM微處理器的準(zhǔn)則3)晶片內(nèi)部記憶體的容量大多數(shù)的ARM微處理器晶片內(nèi)部記憶體的容量都不太大。如ATMEL的AT91F40162就具有高達(dá)2MB的晶片內(nèi)部程式存儲空間。4)晶片內(nèi)部週邊電路的選擇我們稱之為晶片內(nèi)部週邊電路，如USB介面、IIS介面、LCD控制器、鍵盤介面、RTC、ADC和DAC、DSP輔助運(yùn)算器等，設(shè)計者應(yīng)分析系統(tǒng)的需求，盡可能採用晶片內(nèi)部週邊電路完成所需的功能，這樣既可簡化系統(tǒng)的設(shè)計，同時提高系統(tǒng)的可靠性。29選擇ARM微處理器的準(zhǔn)則ARMCore

ARM7Family

ARM720T

ARM7EJ-S

ARM7DI

ARM7TDMI

ARM7TDMI-S

ARM9Family

ARM920T

ARM922T

ARM940T

ARM9EFamily

ARM926EJ-S

ARM946E

ARM946E-S

ARM966E-S

ARM10Family

ARM1020E

ARM1022E

ARM1026EJ-S

ARM11Family

ARM11Family

ASIC

ASIC

OtherCores

SC100/SC200Processors

StrongARMMicroprocessor

XScale

Microarchitecture

30ARM處理器的選擇準(zhǔn)則-作業(yè)系統(tǒng)CoresforFully-FeaturedOperatingSystems31ARM處理器的選擇準(zhǔn)則-即時作業(yè)系統(tǒng)CoresforReal-TimeEmbeddedOperatingSystems32ARM處理器的選擇準(zhǔn)則-效能33ARM處理器核心的分類與擴(kuò)充標(biāo)準(zhǔn)MMU8KBCacheEmbeddedICE-RTETM7interfaceARMv4TARM7coreThumbinstructionsetAHBInterfaceARM720Trev4ARM922Trev1ARM920Trev1ARM926E-Jrev0ARM1020Erev1

用於開放平臺的核心：MMU雙8KBCacheEmbeddedICE-RTETM9interfaceARMv4TARM9coreThumbinstructionsetAHBInterfaceMMU雙8KBCacheEmbeddedICE-RTETM9interfaceARMv4TARM9coreThumbinstru