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的授權。目前,采用ARM技術知識產(chǎn)權（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技術芯片設計開發(fā)的公司,作為知識產(chǎn)權供應商,本身不直接從事芯片生產(chǎn),靠轉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,因此既使得ARM技術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,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, 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：隨著寬帶技術的推廣,采用ARM技術的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。手機中的32位SIM智能卡也采用了ARM技術。

　　除此以外,ARM微處理器及技術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體系結構的處理器,除了具有ARM體系結構的共同特點以外,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的三級流水線結構。
　　 － 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的哈佛結構。
　?。?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構,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技術的安全解決方案,因此,SecurCore系列微處理器除了具有ARM體系結構的低功耗、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體系結構各種主要特點外,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,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體系結構高度集成的32位RISC微處理器。它融合了Inter公司的設計和處理技術以及ARM體系結構的電源效率,采用在軟件上兼容ARMv4體系結構、同時采用具有Intel技術優(yōu)點的體系結構。

　　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體系結構的解決方案,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微處理器結構

　　1.4.1 RISC體系結構

　　傳統(tǒng)的CISC（Complex Instruction Set Computer,復雜指令集計算機）結構有其固有的缺點,即隨著計算機技術的發(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,計算機的體系結構會越來越復雜,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,這種結構是不太合理的。

　　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構更加簡單合理地提高運算速度上。RISC結構優(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體系結構也還沒有嚴格的定義,一般認為,RISC體系結構應具有如下特點：

　　－ 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體系結構還采用了一些特別的技術,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架構相比較,盡管RISC架構有上述的優(yōu)點,但決不能認為RISC架構就可以取代CISC架構,
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構

　　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處理器的寄存器結構,在后面的相關章節(jié)將會詳細描述。

　　1.4.3 ARM微處理器的指令結構

　　ARM微處理器的在較新的體系結構中支持兩種指令集：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處理器的指令結構,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)核結構,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)核結構,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。