ARM應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)詳解：第1章 ARM微處理器概述

1.1ARM－Advanced RISC Machines

ARM（Advanced RISC Machines），既可以認(rèn)為是一個公司的名字，也可以認(rèn)為是對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公司成立于英國劍橋，主要出售芯片設(shè)計技術(shù)的授權(quán)。目前，采用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，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)、無線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場，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％以上的市場份額，ARM技術(shù)正在逐步滲入到我們生活的各個方面。

ARM公司是專門從事基于RISC技術(shù)芯片設(shè)計開發(fā)的公司，作為知識產(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公司購買其設(shè)計的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?，從而形成自己的ARM微處理器芯片進(jìn)入市場。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，又使整個系統(tǒng)成本降低，使產(chǎn)品更容易進(jìn)入市場被消費(fèi)者所接受，更具有競爭力。

1.2ARM微處理器的應(yīng)用領(lǐng)域及特點(diǎn)

1.2.1ARM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的大部分市場份額，同時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、高性價比，向傳統(tǒng)的8位/16位微控制器提出了挑戰(zhàn)。

2、無線通訊領(lǐng)域：目前已有超過85%的無線通訊設(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芯片正逐步獲得競爭優(yōu)勢。此外，ARM在語音及視頻處理上行了優(yōu)化，并獲得廣泛支持，也對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，并會在將來取得更加廣泛的應(yīng)用。

1.2.2ARM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、尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高；

6、指令長度固定；

1.3ARM微處理器系列

ARM微處理器目前包括下面幾個系列，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個通用處理器系列，每一個系列提供一套相對獨(dú)特的性能來滿足不同應(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。

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

1.3.1ARM7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，調(diào)試開發(fā)方便。

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

－能夠提供0.9MIPS/MHz的三級流水線結(jié)構(gòu)。

－代碼密度高并兼容16位的Thumb指令集。

－對操作系統(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。

1.3.2ARM9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)用場合。

1.3.3ARM9E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使用DSP和微控制器的應(yīng)用場合。

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)字信號處理的場合。

－5級整數(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)用于下一代無線設(shè)備、數(shù)字消費(fèi)品、成像設(shè)備、工業(yè)控制、存儲設(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)用場合。

1.3.4ARM10E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，在同樣的時鐘頻率下，性能提高了近50％，同時，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)字信號處理的場合。

－6級整數(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)用場合。

1.3.5SecurCore微處理器系列

SecurCore系列微處理器專為安全需要而設(shè)計，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，即提供了對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)，防止外部對其進(jìn)行掃描探測。

－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)用場合。

1.3.6StrongARM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。

1.3.7Xscale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)字移動電話、個人數(shù)字助理和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品等場合。

Xscale處理器是Inter目前主要推廣的一款A(yù)RM微處理器。

1.4ARM微處理器結(jié)構(gòu)

1.4.1RISC體系結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的CISC（Complex Instruction Set Computer，復(fù)雜指令集計算機(jī)）結(jié)構(gòu)有其固有的缺點(diǎn)，即隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而不斷引入新的復(fù)雜的指令集，為支持這些新增的指令，計算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)會越來越復(fù)雜，然而，在CISC指令集的各種指令中，其使用頻率卻相差懸殊，大約有20％的指令會被反復(fù)使用，占整個程序代碼的80％。而余下的80％的指令卻不經(jīng)常使用，在程序設(shè)計中只占20％，顯然，這種結(jié)構(gòu)是不太合理的。

基于以上的不合理性，1979年美國加州大學(xué)伯克利分校提出了RISC（Reduced Instruction Set Computer，精簡指令集計算機(jī)）的概念，RISC并非只是簡單地去減少指令，而是把著眼點(diǎn)放在了如何使計算機(jī)的結(jié)構(gòu)更加簡單合理地提高運(yùn)算速度上。RISC結(jié)構(gòu)優(yōu)先選取使用頻最高的簡單指令，避免復(fù)雜指令；將指令長度固定，指令格式和尋地方式種類減少；以控制邏輯為主，不用或少用微碼控制等措施來達(dá)到上述目的。

到目前為止，RISC體系結(jié)構(gòu)也還沒有嚴(yán)格的定義，一般認(rèn)為，RISC體系結(jié)構(gòu)應(yīng)具有如下特點(diǎn)：

－采用固定長度的指令格式，指令歸整、簡單、基本尋址方式有2～3種。

－使用單周期指令，便于流水線操作執(zhí)行。

－大量使用寄存器，數(shù)據(jù)處理指令只對寄存器進(jìn)行操作，只有加載/存儲指令可以訪問存儲器，以提高指令的執(zhí)行效率。

除此以外，ARM體系結(jié)構(gòu)還采用了一些特別的技術(shù)，在保證高性能的前提下盡量縮小芯片的面積，并降低功耗：

－所有的指令都可根據(jù)前面的執(zhí)行結(jié)果決定是否被執(zhí)行，從而提高指令的執(zhí)行效率。

－可用加載/存儲指令批量傳輸數(shù)據(jù)，以提高數(shù)據(jù)的傳輸效率。

－可在一條數(shù)據(jù)處理指令中同時完成邏輯處理和移位處理。

－在循環(huán)處理中使用地址的自動增減來提高運(yùn)行效率。

當(dāng)然，和CISC架構(gòu)相比較，盡管RISC架構(gòu)有上述的優(yōu)點(diǎn)，但決不能認(rèn)為RISC架構(gòu)就可以取代CISC架構(gòu)，事實(shí)上，RISC和CISC各有優(yōu)勢，而且界限并不那么明顯。現(xiàn)代的CPU往往采用CISC的外圍，內(nèi)部加入了RISC的特性，如超長指令集CPU就是融合了RISC和CISC的優(yōu)勢，成為未來的CPU發(fā)展方向之一。

1.4.2ARM微處理器的寄存器結(jié)構(gòu)

ARM處理器共有37個寄存器，被分為若干個組（BANK），這些寄存器包括：

－31個通用寄存器，包括程序計數(shù)器（PC指針），均為32位的寄存器。

－6個狀態(tài)寄存器，用以標(biāo)識CPU的工作狀態(tài)及程序的運(yùn)行狀態(tài)，均為32位，目前只使用了其中的一部分。

同時，ARM處理器又有7種不同的處理器模式，在每一種處理器模式下均有一組相應(yīng)的寄存器與之對應(yīng)。即在任意一種處理器模式下，可訪問的寄存器包括15個通用寄存器（R0～R14）、一至二個狀態(tài)寄存器和程序計數(shù)器。在所有的寄存器中，有些是在7種處理器模式下共用的同一個物理寄存器，而有些寄存器則是在不同的處理器模式下有不同的物理寄存器。

關(guān)于ARM處理器的寄存器結(jié)構(gòu)，在后面的相關(guān)章節(jié)將會詳細(xì)描述。

1.4.3ARM微處理器的指令結(jié)構(gòu)

ARM微處理器的在較新的體系結(jié)構(gòu)中支持兩種指令集：ARM指令集和Thumb指令集。其中，ARM指令為32位的長度，Thumb指令為16位長度。Thumb指令集為ARM指令集的功能子集，但與等價的ARM代碼相比較，可節(jié)省30％～40％以上的存儲空間，同時具備32位代碼的所有優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)于ARM處理器的指令結(jié)構(gòu)，在后面的相關(guān)章節(jié)將會詳細(xì)描述。

1.5ARM微處理器的應(yīng)用選型

鑒于ARM微處理器的眾多優(yōu)點(diǎn)，隨著國內(nèi)外嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域的逐步發(fā)展，ARM微處理器必然會獲得廣泛的重視和應(yīng)用。但是，由于ARM微處理器有多達(dá)十幾種的內(nèi)核結(jié)構(gòu)，幾十個芯片生產(chǎn)廠家，以及千變?nèi)f化的內(nèi)部功能配置組合，給開發(fā)人員在選擇方案時帶來一定的困難，所以，對ARM芯片做一些對比研究是十分必要的。

以下從應(yīng)用的角度出發(fā)，對在選擇ARM微處理器時所應(yīng)考慮的主要問題做一些簡要的探討。

ARM微處理器內(nèi)核的選擇

從前面所介紹的內(nèi)容可知，ARM微處理器包含一系列的內(nèi)核結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)不同的應(yīng)用領(lǐng)域，用戶如果希望使用WinCE或標(biāo)準(zhǔn)Linux等操作系統(tǒng)以減少軟件開發(fā)時間，就需要選擇ARM720T以上帶有MMU（Memory Management Unit）功能的ARM芯片，ARM720T、ARM920T、ARM922T、ARM946T、Strong-ARM都帶有MMU功能。而ARM7TDMI則沒有MMU，不支持Windows CE和標(biāo)準(zhǔn)Linux，但目前有uCLinux等不需要MMU支持的操作系統(tǒng)可運(yùn)行于ARM7TDMI硬件平臺之上。事實(shí)上，uCLinux已經(jīng)成功移植到多種不帶MMU的微處理器平臺上，并在穩(wěn)定性和其他方面都有上佳表現(xiàn)。

本書所討論的S3C4510B即為一款不帶MMU的ARM微處理器，可在其上運(yùn)行uCLinux操作系統(tǒng)。

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芯片系統(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)主時鐘頻率為100MHz-233MHz，ARM10最高可以達(dá)到700MHz。不同芯片對時鐘的處理不同，有的芯片只需要一個主時鐘頻率，有的芯片內(nèi)部時鐘控制器可以分別為ARM核和USB、UART、DSP、音頻等功能部件提供不同頻率的時鐘。

芯片內(nèi)存儲器的容量

大多數(shù)的ARM微處理器片內(nèi)存儲器的容量都不太大，需要用戶在設(shè)計系統(tǒng)時外擴(kuò)存儲器，但也有部分芯片具有相對較大的片內(nèi)存儲空間，如ATMEL的AT91F40162就具有高達(dá)2MB的片內(nèi)程序存儲空間，用戶在設(shè)計時可考慮選用這種類型，以簡化系統(tǒng)的設(shè)計。

片內(nèi)外圍電路的選擇

除ARM微處理器核以外，幾乎所有的ARM芯片均根據(jù)各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域，擴(kuò)展了相關(guān)功能模塊，并集成在芯片之中，我們稱之為片內(nèi)外圍電路，如USB接口、IIS接口、LCD控制器、鍵盤接口、RTC、ADC和DAC、DSP協(xié)處理器等，設(shè)計者應(yīng)分析系統(tǒng)的需求，盡可能采用片內(nèi)外圍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。

1.6本章小節(jié)

本章對ARM微處理器、ARM技術(shù)的基本概念做了一些簡單的介紹，希望讀者通過對本章的閱讀，能對ARM微處理器、ARM技術(shù)有一個總體上的認(rèn)識。