ARM開發(fā)：一 ARM微處理器概述

ARM(Advanced RISC Machines)，既可以認(rèn)為是一個(gè)公司的名字，也可以認(rèn)為是對(duì)一類微處理器的通稱，還可以認(rèn)為是一種技術(shù)的名字。

1991年ARM公司成立于英國(guó)劍橋，主要出售芯片設(shè)計(jì)技術(shù)的授權(quán)。目前，采用ARM技術(shù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)核的微處理器，即我們通常所說(shuō)的ARM微處理器，已遍及工業(yè)控制、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無(wú)線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場(chǎng)，基于ARM技術(shù)的微處理器應(yīng)用約占據(jù)了32位RISC微處理器75%以上的市場(chǎng)份額，ARM技術(shù)正在逐步滲入到我們生活的各個(gè)方面。

ARM公司是專門從事基于RISC技術(shù)芯片設(shè)計(jì)開發(fā)的公司，作為知識(shí)產(chǎn)權(quán)供應(yīng)商，本身不直接從事芯片生產(chǎn)，靠轉(zhuǎn)讓設(shè)計(jì)許可由合作公司生產(chǎn)各具特色的芯片，世界各大半導(dǎo)體生產(chǎn)商從ARM公司購(gòu)買其設(shè)計(jì)的ARM微處理器核，根據(jù)各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域，加入適當(dāng)?shù)耐鈬娐罚瑥亩纬勺约旱腁RM微處理器芯片進(jìn)入市場(chǎng)。目前，全世界有幾十家大的半導(dǎo)體公司都使用ARM公司的授權(quán)，因此既使得ARM技術(shù)獲得更多的第三方工具、制造、軟件的支持，又使整個(gè)系統(tǒng)成本降低，使產(chǎn)品更容易進(jìn)入市場(chǎng)被消費(fèi)者所接受，更具有競(jìng)爭(zhēng)力。

1.2 ARM微處理器的應(yīng)用領(lǐng)域及特點(diǎn)

1.2.1 ARM微處理器的應(yīng)用領(lǐng)域

到目前為止，ARM微處理器及技術(shù)的應(yīng)用幾乎已經(jīng)深入到各個(gè)領(lǐng)域：

1、工業(yè)控制領(lǐng)域：作為32的RISC架構(gòu)，基于ARM核的微控制器芯片不但占據(jù)了高端微控制器市場(chǎng)的大部分市場(chǎng)份額，同時(shí)也逐漸向低端微控制器應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展，ARM微控制器的低功耗、高性價(jià)比，向傳統(tǒng)的8位/16位微控制器提出了挑戰(zhàn)。

2、無(wú)線通訊領(lǐng)域：目前已有超過(guò)85%的無(wú)線通訊設(shè)備采用了ARM技術(shù)， ARM以其高性能和低成本，在該領(lǐng)域的地位日益鞏固。

3、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用：隨著寬帶技術(shù)的推廣，采用ARM技術(shù)的ADSL芯片正逐步獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。此外，ARM在語(yǔ)音及視頻處理上行了優(yōu)化，并獲得廣泛支持，也對(duì)DSP的應(yīng)用領(lǐng)域提出了挑戰(zhàn)。

4、消費(fèi)類電子產(chǎn)品：ARM技術(shù)在目前流行的數(shù)字音頻播放器、數(shù)字機(jī)頂盒和游戲機(jī)中得到廣泛采用。

5、成像和安全產(chǎn)品：現(xiàn)在流行的數(shù)碼相機(jī)和打印機(jī)中絕大部分采用ARM技術(shù)。手機(jī)中的32位SIM智能卡也采用了ARM技術(shù)。

除此以外，ARM微處理器及技術(shù)還應(yīng)用到許多不同的領(lǐng)域，并會(huì)在將來(lái)取得更加廣泛的應(yīng)用。

1.2.2 ARM微處理器的特點(diǎn)

采用RISC架構(gòu)的ARM微處理器一般具有如下特點(diǎn)：

1、體積小、低功耗、低成本、高性能;

2、支持Thumb(16位)/ARM(32位)雙指令集，能很好的兼容8位/16位器件;

3、大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快;

4、大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成;

5、尋址方式靈活簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高;

6、指令長(zhǎng)度固定;

1.3 ARM微處理器系列

ARM微處理器目前包括下面幾個(gè)系列，以及其它廠商基于ARM體系結(jié)構(gòu)的處理器，除了具有ARM體系結(jié)構(gòu)的共同特點(diǎn)以外，每一個(gè)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

- SecurCore系列

- Inter的Xscale

- Inter的StrongARM

其中，ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10為4個(gè)通用處理器系列，每一個(gè)系列提供一套相對(duì)獨(dú)特的性能來(lái)滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求。SecurCore系列專門為安全要求較高的應(yīng)用而設(shè)計(jì)。

以下我們來(lái)詳細(xì)了解一下各種處理器的特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域。

1.3.1 ARM7微處理器系列

ARM7系列微處理器為低功耗的32位RISC處理器，最適合用于對(duì)價(jià)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，調(diào)試開發(fā)方便。

- 極低的功耗，適合對(duì)功耗要求較高的應(yīng)用，如便攜式產(chǎn)品。

- 能夠提供0.9MIPS/MHz的三級(jí)流水線結(jié)構(gòu)。

- 代碼密度高并兼容16位的Thumb指令集。

- 對(duì)操作系統(tǒng)的支持廣泛，包括Windows CE、Linux、Palm OS等。

- 指令系統(tǒng)與ARM9系列、ARM9E系列和ARM10E系列兼容，便于用戶的產(chǎn)品升級(jí)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)的復(fù)雜應(yīng)用。

ARM7系列微處理器的主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)椋汗I(yè)控制、Internet設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和調(diào)制解調(diào)器設(shè)備、移動(dòng)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： 支持16為壓縮指令集Thumb;

D： 支持片上Debug;

M：內(nèi)嵌硬件乘法器(Multiplier)

I： 嵌入式ICE，支持片上斷點(diǎn)和調(diào)試點(diǎn);

本書所介紹的Samsung公司的S3C4510B即屬于該系列的處理器。

1.3.2 ARM9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。具有以下特點(diǎn)：

- 5級(jí)整數(shù)流水線，指令執(zhí)行效率更高。

- 提供1.1MIPS/MHz的哈佛結(jié)構(gòu)。

- 支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。

- 支持32位的高速AMBA總線接口。

- 全性能的MMU，支持Windows CE、Linux、Palm OS等多種主流嵌入式操作系統(tǒng)。

- MPU支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

- 支持?jǐn)?shù)據(jù)Cache和指令Cache，具有更高的指令和數(shù)據(jù)處理能力。

ARM9系列微處理器主要應(yīng)用于無(wú)線設(shè)備、儀器儀表、安全系統(tǒng)、機(jī)頂盒、高端打印機(jī)、數(shù)字照相機(jī)和數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等。

ARM9系列微處理器包含ARM920T、ARM922T和ARM940T三種類型，以適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合。

1.3.3 ARM9E微處理器系列

ARM9E系列微處理器為可綜合處理器，使用單一的處理器內(nèi)核提供了微控制器、DSP、Java應(yīng)用系統(tǒng)的解決方案，極大的減少了芯片的面積和系統(tǒng)的復(fù)雜程度。ARM9E系列微處理器提供了增強(qiáng)的DSP處理能力，很適合于那些需要同時(shí)使用DSP和微控制器的應(yīng)用場(chǎng)合。

ARM9E系列微處理器的主要特點(diǎn)如下：

- 支持DSP指令集，適合于需要高速數(shù)字信號(hào)處理的場(chǎng)合。

- 5級(jí)整數(shù)流水線，指令執(zhí)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總線接口。

- 支持VFP9浮點(diǎn)處理協(xié)處理器。

- 全性能的MMU，支持Windows CE、Linux、Palm OS等多種主流嵌入式操作系統(tǒng)。

- MPU支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

- 支持?jǐn)?shù)據(jù)Cache和指令Cache，具有更高的指令和數(shù)據(jù)處理能力。

- 主頻最高可達(dá)300MIPS。

ARM9系列微處理器主要應(yīng)用于下一代無(wú)線設(shè)備、數(shù)字消費(fèi)品、成像設(shè)備、工業(yè)控制、存儲(chǔ)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等領(lǐng)域。

ARM9E系列微處理器包含ARM926EJ-S、ARM946E-S和ARM966E-S三種類型，以適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合。

1.3.4 ARM10E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)，由于采用了新的體系結(jié)構(gòu)，與同等的ARM9器件相比較，在同樣的時(shí)鐘頻率下，性能提高了近50%，同時(shí)，ARM10E系列微處理器采用了兩種先進(jìn)的節(jié)能方式，使其功耗極低。

ARM10E系列微處理器的主要特點(diǎn)如下：

- 支持DSP指令集，適合于需要高速數(shù)字信號(hào)處理的場(chǎng)合。

- 6級(jí)整數(shù)流水線，指令執(zhí)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總線接口。

- 支持VFP10浮點(diǎn)處理協(xié)處理器。

- 全性能的MMU，支持Windows CE、Linux、Palm OS等多種主流嵌入式操作系統(tǒng)。

- 支持?jǐn)?shù)據(jù)Cache和指令Cache，具有更高的指令和數(shù)據(jù)處理能力

- 主頻最高可達(dá)400MIPS。

- 內(nèi)嵌并行讀/寫操作部件。

ARM10E系列微處理器主要應(yīng)用于下一代無(wú)線設(shè)備、數(shù)字消費(fèi)品、成像設(shè)備、工業(yè)控制、通信和信息系統(tǒng)等領(lǐng)域。

ARM10E系列微處理器包含ARM1020E、ARM1022E和ARM1026EJ-S三種類型，以適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合。

1.3.5 SecurCore微處理器系列

SecurCore系列微處理器專為安全需要而設(shè)計(jì)，提供了完善的32位RISC技術(shù)的安全解決方案，因此，SecurCore系列微處理器除了具有ARM體系結(jié)構(gòu)的低功耗、高性能的特點(diǎn)外，還具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，即提供了對(duì)安全解決方案的支持。

SecurCore系列微處理器除了具有ARM體系結(jié)構(gòu)各種主要特點(diǎn)外，還在系統(tǒng)安全方面具有如下的特點(diǎn)：

- 帶有靈活的保護(hù)單元，以確保操作系統(tǒng)和應(yīng)用數(shù)據(jù)的安全。

- 采用軟內(nèi)核技術(shù)，防止外部對(duì)其進(jìn)行掃描探測(cè)。

- 可集成用戶自己的安全特性和其他協(xié)處理器。

SecurCore系列微處理器主要應(yīng)用于一些對(duì)安全性要求較高的應(yīng)用產(chǎn)品及應(yīng)用系統(tǒng)，如電子商務(wù)、電子政務(wù)、電子銀行業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)和認(rèn)證系統(tǒng)等領(lǐng)域。

SecurCore系列微處理器包含SecurCore SC100、SecurCore SC110、SecurCore SC200和SecurCore SC210四種類型，以適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合。

1.3.6 StrongARM微處理器系列

Inter StrongARM SA-1100處理器是采用ARM體系結(jié)構(gòu)高度集成的32位RISC微處理器。它融合了Inter公司的設(shè)計(jì)和處理技術(shù)以及ARM體系結(jié)構(gòu)的電源效率，采用在軟件上兼容ARMv4體系結(jié)構(gòu)、同時(shí)采用具有Intel技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的體系結(jié)構(gòu)。

Intel StrongARM處理器是便攜式通訊產(chǎn)品和消費(fèi)類電子產(chǎn)品的理想選擇，已成功應(yīng)用于多家公司的掌上電腦系列產(chǎn)品。

1.3.7 Xscale處理器

Xscale 處理器是基于ARMv5TE體系結(jié)構(gòu)的解決方案，是一款全性能、高性價(jià)比、低功耗的處理器。它支持16位的Thumb指令和DSP指令集，已使用在數(shù)字移動(dòng)電話、個(gè)人數(shù)字助理和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品等場(chǎng)合。