ARM概述

1.1 ARM－Advanced RISC Machines
　　ARM（Advanced RISC Machines）,既可以認為是一個公司的名字,也可以認為是對一類微處理器的通稱,還可以認為是一種技術(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、消費類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(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)芯片設計開發(fā)的公司,作為知識產(chǎn)權(quán)供應商,本身不直接從事芯片生產(chǎn),靠轉(zhuǎn)讓設計許可由合作公司生產(chǎn)各具特色的芯片,世界各大半導體生產(chǎn)商從ARM公司購買其設計的ARM微處理器核,根據(jù)各自不同的應用領域,加入適當?shù)耐鈬娐?從而形成自己的ARM微處理器芯片進入市場。目前,全世界有幾十家大的半導體公司都使用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)品更容易進入市場被消費者所接受,更具有競爭力。

　　1.2 ARM微處理器的應用領域及特點

　　1.2.1 ARM微處理器的應用領域

　　到目前為止,ARM微處理器及技術(shù)的應用幾乎已經(jīng)深入到各個領域：

　　1、工業(yè)控制領域：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用領域擴展,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、無線通訊領域：目前已有超過85%的無線通訊設備采用了ARM技術(shù), ARM以其高性能和低成本,在該
領域的地位日益鞏固。

　　3、網(wǎng)絡應用：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的應用領域提出了挑戰(zhàn)。

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

　　5、成像和安全產(chǎn)品：現(xiàn)在流行的數(shù)碼相機和打印機中絕大部分采用ARM技術(shù)。手機中的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)還應用到許多不同的領域,并會在將來取得更加廣泛的應用。

　　1.2.2 ARM微處理器的特點

　　采用RISC架構(gòu)的ARM微處理器一般具有如下特點：

　　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;

　　1.3 ARM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)的共同特點以外,每一個系列的ARM微處理器都有各自的特點和應用領域。

　?。?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特的性能來滿足不同應用領域的需求。SecurCore系列專門為安全要求較高的應用而設計。

　　以下我們來詳細了解一下各種處理器的特點及應用領域。

　　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,最適合用于對價位和功耗要求較高的消費類應用。ARM7微處理器系列具有如下特點：

　?。?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130MIPS,高速的運算處理能力能勝任絕大多數(shù)的復雜應用。

　　ARM7系列微處理器的主要應用領域為：工業(yè)控制、Internet設備、網(wǎng)絡和調(diào)制解調(diào)器設備、移動電話等多種多媒體和嵌入式應用。

　　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,支持片上斷點和調(diào)試點;
　　
　　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：

　?。?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支持實時操作系統(tǒng)。
　?。?支持數(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用于無線設備、儀器儀表、安全系統(tǒng)、機頂盒、高端打印機、數(shù)字照相機和數(shù)字攝像機等。

　　ARM9系列微處理器包含ARM920T、ARM922T和ARM940T三種類型,以適用于不同的應用場合。

　　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)的復雜程度。ARM9E系列微處理器提供了增強的DSP處理能力,很適合于那些需要同時使用DSP和微控制器的應用場合。

　　ARM9E系列微處理器的主要特點如下：

　?。?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支持實時操作系統(tǒng)。
　?。?支持數(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300MIPS。

　　ARM9系列微處理器主要應用于下一代無線設備、數(shù)字消費品、成像設備、工業(yè)控制、存儲設備和網(wǎng)絡設備等領域。

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

　　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,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的節(jié)能方式,使其功耗極低。

　　ARM10E系列微處理器的主要特點如下：

　?。?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)。
　?。?支持數(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400MIPS。
　?。?內(nèi)嵌并行讀/寫操作部件。

　　ARM10E系列微處理器主要應用于下一代無線設備、數(shù)字消費品、成像設備、工業(yè)控制、通信和信息系統(tǒng)等領域。

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

　　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、高性能的特點外,還具有其獨特的優(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)各種主要特點外,還在系統(tǒng)安全方面具有如下的特點：

　?。?帶有靈活的保護單元,以確保操作系統(tǒng)和應用數(shù)據(jù)的安全。
　?。?采用軟內(nèi)核技術(shù),防止外部對其進行掃描探測。
　　－ 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用于一些對安全性要求較高的應用產(chǎn)品及應用系統(tǒng),如電子商務、電子政務、電子銀行業(yè)務、網(wǎng)絡和認證系統(tǒng)等領域。

　　SecurCore系列微處理器包含SecurCore SC100、SecurCore SC110、SecurCore SC200和SecurCore SC210四種類型,以適用于不同的應用場合。

　　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)點的體系結(jié)構(gòu)。

　　Intel StrongARM處理器是便攜式通訊產(chǎn)品和消費類電子產(chǎn)品的理想選擇,已成功應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)絡產(chǎn)品等場合。

　　Xscale 處理器是Inter目前主要推廣的一款ARM微處理器。

　　1.4 ARM微處理器結(jié)構(gòu)

　　1.4.1 RISC體系結(jié)構(gòu)

　　傳統(tǒng)的CISC（Complex Instruction Set Computer,復雜指令集計算機）結(jié)構(gòu)有其固有的缺點,即隨著計算機技術(shù)的發(fā)展而不斷引入新的復雜的指令集,為支持這些新增的指令,計算機的體系結(jié)構(gòu)會越來越復雜,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年美國加州大學伯克利分校提出了RISC（Reduced Instruction Set Computer,精簡指令集計算機）的概念,RISC并非只是簡單地去減少指令,而是把著眼點放在了如何使計算機的結(jié)構(gòu)更加簡單合理地提高運算速度上。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到上述目的。

　　到目前為止,RISC體系結(jié)構(gòu)也還沒有嚴格的定義,一般認為,RISC體系結(jié)構(gòu)應具有如下特點：

　?。?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行效率。

　　當然,和CISC架構(gòu)相比較,盡管RISC架構(gòu)有上述的優(yōu)點,但決不能認為RISC架構(gòu)就可以取代CISC架構(gòu),
事實上,RISC和CISC各有優(yōu)勢,而且界限并不那么明顯?，F(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。

　　1.4.2 ARM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,用以標識CPU的工作狀態(tài)及程序的運行狀態(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的寄存器與之對應。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。

　　關于ARM處理器的寄存器結(jié)構(gòu),在后面的相關章節(jié)將會詳細描述。

　　1.4.3 ARM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。

　　關于ARM處理器的指令結(jié)構(gòu),在后面的相關章節(jié)將會詳細描述。

　　1.5 ARM微處理器的應用選型

　　鑒于ARM微處理器的眾多優(yōu)點,隨著國內(nèi)外嵌入式應用領域的逐步發(fā)展,ARM微處理器必然會獲得廣泛的重視和應用。但是,由于ARM微處理器有多達十幾種的內(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。

　　以下從應用的角度出發(fā),對在選擇ARM微處理器時所應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),以適應不同的應用領域,用戶如果希望使用WinCE或標準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和標準Linux,但目前有uCLinux等不需要MMU支持的操作系統(tǒng)可運行于ARM7TDMI硬件平臺之上。事實上,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,需要用戶在設計系統(tǒng)時外擴存儲器,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2MB的片內(nèi)程序存儲空間,用戶在設計時可考慮選用這種類型,以簡化系統(tǒng)的設計。

　　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)各自不同的應用領域,擴展了相關功能模塊,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,設計者應分析系統(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)的設計,同時提高系統(tǒng)的可靠性。