嵌入式處理器ARM(Advanced RISC Machines)技術(shù)及芯片

ARM (Advanced RISC Machines)公司從1991年推出第一種嵌入式RISC內(nèi)核ARM6開始至今，經(jīng)過十年多堅持不懈的打造，ARM已成為世界領(lǐng)先的嵌入式RISC處理器知識產(chǎn)權(quán)（IP）提供商。ARM公司是一個概念創(chuàng)新的公司，它首先提出知識產(chǎn)權(quán)公開出售授權(quán)的概念，它既不生產(chǎn)芯片，也不銷售芯片，它的商業(yè)模式是搞設(shè)計和賣方案，它通過對數(shù)字電子公司在廣泛的應(yīng)用中使用高性能、低價格、低功耗的微處理器和系統(tǒng)芯片進(jìn)行授權(quán)而獲利。ARM公司也出售軟件和開發(fā)系統(tǒng)，還提供咨詢、技術(shù)支持、維護(hù)和培訓(xùn)服務(wù)，以加快大家對ARM體系結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品的認(rèn)知和接受，從而改變了世界半導(dǎo)體行業(yè)的格局。它借助于擁有的強(qiáng)大技術(shù)優(yōu)勢，在世界范圍內(nèi)與許多業(yè)界領(lǐng)先的半導(dǎo)體廠商和芯片設(shè)計中心、實時操作系統(tǒng)軟件開發(fā)商、應(yīng)用軟件公司、電子設(shè)計自動化（EDA）工具供應(yīng)商和系統(tǒng)公司建立合作關(guān)系，其中包括世界頂級的廠商Intel、NS、TI、Apple、Motorola、Mitsubishi、SUN、Lucent、Sanyo、 Altera、Triscend、Agilent、Toshiba、Fujitsu、Sharp、ST、3COM、OKI、YAMAHA、Atmel、 Rohm、Rockwell、Philips、Lucent、Samsung、Hyundai、Sony和Alcatel等56家公司。由此可見ARM技術(shù)具有不可抗拒的魅力，1999年采用ARM IP核的芯片出貨量就達(dá)1.8億片，占RISC市場份額57.8%；2000年采用ARM IP核的芯片出貨量更是增長到4億片，RISC市場份額上升到74.3%，同期MIPS芯片占11.3%，Power PC芯片占3.4%。

特點和優(yōu)勢

ARM技術(shù)與其他公司設(shè)計的處理器相比究竟有什么樣的優(yōu)勢呢?

　　ARM結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵優(yōu)點是能兼顧到高性能、低功耗、低價格幾個方面而做得都比較好。首先在低功耗（MIPS/W－百萬條指令每秒/瓦）方面具有業(yè)界領(lǐng)先的性能，例如ARM7TDMI內(nèi)核提供高達(dá)4000 MIPS/W的低功耗特性。在數(shù)據(jù)處理能力的每MIPS的低價格方面，ARM向合作伙伴提供某些最具有競爭力價格的解決方案，可以使得新的消費(fèi)電子產(chǎn)品由此能快速增長。加上具有最廣泛的第三方合作伙伴支持：有50家以上的RTOS軟件廠商和30家以上的EDA工具制造商，有很多高效率的實時跟蹤調(diào)試工具，采用AMBA片上總線，可以使設(shè)計時間更短，加快了產(chǎn)品上市時間。

　　ARM的高性能表現(xiàn)為其體系結(jié)構(gòu)是基于RISC流水線架構(gòu)，它的指令系統(tǒng)和相關(guān)譯碼機(jī)制比那些采用微程序的復(fù)雜指令系統(tǒng)的計算機(jī)（CISC）簡單得多。這個簡化帶來三個優(yōu)點：

①指令的高吞吐率
②極其有效的實時中斷響應(yīng)
③小的高性價比的處理器宏單元
流水線結(jié)構(gòu)可以使所有的處理部件和存儲器系統(tǒng)連續(xù)操作，典型情況是當(dāng)一條指令正在被執(zhí)行時，后一條指令正在被譯碼，第三條指令同時被從存儲器中取指。

應(yīng)用領(lǐng)域

　　ARM的半導(dǎo)體合作伙伴都是基于ARM架構(gòu)來設(shè)計、制造、打市場和銷售微處理器、專用集成電路（ASIC）和專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品（ASSP）。各個不同廠商在 ARM技術(shù)的基礎(chǔ)上加上它們自己的技術(shù)和能力，利用ARM廣泛支持的架構(gòu)生產(chǎn)出各種不同的產(chǎn)品。這些基于ARM技術(shù)的微處理器已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品，特別是一些高端嵌入式控制應(yīng)用，例如汽車電子設(shè)備、移動電話、硬盤驅(qū)動器、調(diào)制解調(diào)器、工業(yè)控制、海量存儲、網(wǎng)絡(luò)通信、無線通信和各種消費(fèi)娛樂電子產(chǎn)品。

解決方案

　　ARM可以提供一組基本內(nèi)核、體系結(jié)構(gòu)擴(kuò)展、微處理器和片上系統(tǒng)（SOC）等解決方案，而它們都使用一個公共的軟件結(jié)構(gòu)，即在整個產(chǎn)品的范圍內(nèi)都允許相同的軟件。

一組基本內(nèi)核

①ARM7是一種小型的高性能低功耗可集成32位RISC處理器內(nèi)核，這最初是為便攜式通信設(shè)備而開發(fā)的。

②ARM7TDMI是一種授權(quán)最廣泛的產(chǎn)品，它把ARM7的指令系統(tǒng)與Thumb相結(jié)合，減少了存儲器的容量，降低了系統(tǒng)成本。

　　EmbeddedICE調(diào)試器使系統(tǒng)設(shè)計更容易，DSP加強(qiáng)了乘法擴(kuò)展功能，提升了性能，典型應(yīng)用是數(shù)字移動電話和硬盤驅(qū)動器。

③ARM9TDMI是一種有5級流水線，集成有Thumb擴(kuò)展功能、調(diào)試功能和哈佛總線的內(nèi)核。在同樣工藝下，它是ARM7TDMI性能的兩倍以上。典型應(yīng)用為網(wǎng)絡(luò)和機(jī)頂盒。

④ARM9E-S是基于ARM9TDMI的內(nèi)核，在原指令系統(tǒng)上擴(kuò)展了高級信號處理功能的指令。它可用于需要控制和DSP的應(yīng)用，包括硬盤驅(qū)動（HDD）、數(shù)字視頻盤DVD、移動電話、自動和工業(yè)控制領(lǐng)域。

⑤ARM10TDMI是一種比ARM9TDMI有更高性能的內(nèi)核，其性能幾乎是ARM9TDMI的兩倍，有6級流水線、哈佛總線、Thumb擴(kuò)展功能和對所有編程模型狀態(tài)的全調(diào)試訪問。主要應(yīng)用于下一代手持通信產(chǎn)品和數(shù)碼電子消費(fèi)產(chǎn)品以及多媒體應(yīng)用。

⑥可組合內(nèi)核：ARM已經(jīng)開發(fā)出最流行的可組合內(nèi)核，包括ARM7TDMI-S、ARM9TDMI-S、ARM946E-S和ARM966E-S解決方案。這些軟內(nèi)核在功能上等效于已存在的硬內(nèi)核，但是這會給特定的用戶帶來更多的靈活性。

完整的微處理器內(nèi)核

①ARM720T、ARM920T和ARM1020T是低價格、低功耗的通用系統(tǒng)封裝的微處理器，它們帶有高速緩沖存儲器（Cache）、存儲器管理、寫入緩沖器和JTAG接口，并為高級OS平臺作了優(yōu)化，可應(yīng)用于手持計算裝置、數(shù)據(jù)通信和消費(fèi)電子多媒體產(chǎn)品。

②ARM740T、ARM940T、ARM946E-S和ARM966E-S是低價格低功耗高性能的通用微處理器，為嵌入式控制作了優(yōu)化，目標(biāo)應(yīng)用包括高級引擎管理、儀器、安全系統(tǒng)和高端打印機(jī)。

提供的硅技術(shù)

①ARM10系列：300MHz ARM10處理器系列是有矢量浮點（VFP）大容量片上指令Cache和數(shù)據(jù)Cache、帶有支持虛擬存儲頁操作命令的MMU、寫入緩沖器和新型高帶寬先進(jìn)的微控制器總線結(jié)構(gòu)（AMBA）SOC總線接口。
ARM10解決方案可以支持Win CE和EPOC32，并將提供低系統(tǒng)價格、低功耗和容易集成到較大SOC設(shè)計的支持。

②StrongARM 是一種具有非常高性能的通用微處理器，這是與DEC公司聯(lián)合開發(fā)、并授權(quán)Intel公司制造生產(chǎn)，Intel公司用SA110命名該通用嵌入式標(biāo)準(zhǔn)處理器。SA1110用于Palm設(shè)備，SA1111作為配套芯片。Intel宣布下一代StrongARM將把性能提高2倍到3倍，而保持其功耗為0.5W 以下。

獲得高性能處理器設(shè)計技術(shù)的機(jī)會

　　由于投資和風(fēng)險巨大、缺少自主的核心技術(shù)，雖然在中低端微處理器方面有了一定進(jìn)展，但在設(shè)計和制造高性能處理器芯片方面一直是我國TI業(yè)的“芯病”痛，要達(dá)到當(dāng)代處理器的國際先進(jìn)水平，還難以在短期內(nèi)有大的突破。即使已經(jīng)具有設(shè)計和制造先進(jìn)微處理器的能力，還一時無法成為市場的主流產(chǎn)品，不會改變世界計算機(jī)市場的格局。而ARM體系結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，已經(jīng)幾乎成為嵌入式RISC芯片的壟斷機(jī)種，通過購買合法授權(quán)就可以得到相關(guān)的設(shè)計和制造技術(shù)，在主流芯片的設(shè)計和制造中占有一席之地，相對風(fēng)險要小得多。ARM公司也非?？春弥袊氖袌?，已開始與中興公司合作，并十分希望與國內(nèi)更多的企業(yè)合作，應(yīng)該說雙方只要抓住機(jī)會就很可能實現(xiàn)雙贏。