ARM构架

第第11章章认认识识AARRMM嵌入式技术的快速发展不仅使之成为当前微电子技术与计算机技术中的一个重要分支，同时也使计算机的分类从以前的巨型机、大型机、小型机、微机之分变为了通用计算机和嵌入式系统之分。嵌入式的应用更是涉及金融、航天、电信、网络、信息家电、医疗、工业控制、军事等各个领域，以致一些学者断言嵌入式技术将成为后PC时代的主宰。广义地说，一个嵌入式系统就是一个具有特定功能或用途的计算机软硬件集合体。通常我们将嵌入式系统分为软件部分和硬件部分，相应的技术也分为嵌入式硬件技术与嵌入式软件技术两个部分。嵌入式系统发展的最高形式——片上系统SoC将是这些技术的集大成者。而从狭义上讲，嵌入式系统则仅仅指装入另一个设备并且控制该设备的专用计算机系统。嵌入式系统的最大特点是其目的性和针对性，即每一套嵌入式系统的开发都有其特殊的应用场合与特定功能，这也是嵌入式系统与通用的计算机系统的最主要区别。另外，嵌入式技术与实时性有着天然的联系。另外由于嵌入式系统是为特定目的而设计的，且常常受空间、成本、存储、带宽等的限制，因此它必须最大限度地在硬件和软件上“量身定做”，以提高资源的利用率，这样的结果也随之导致了实时性的增强。嵌入式系统包含硬件和软件两部分：硬件架构以嵌入式处理器为中心，配置存储器、I/O设备、通信模块等必要的外设；软件部分以软件开发平台为核心，向上提供应用编程接口API，向下屏蔽具体硬件特性的板级支持包BSP。嵌入式系统中，软件和硬件紧密配合，协调工作，共同完成系统预定的功能。嵌入式系统的功能软件集成于硬件系统之中，系统的应用软件与硬件一体化。在嵌入式系统硬件设备中，嵌入式处理器是整个系统的核心部件，其性能好坏直接决定整个系统的运行效果。由于嵌入式系统应用需求的多样性，市场上基于RISC结构的嵌入式处理器提供商也日渐增多。统计数字表明，2002年底32位嵌入式处理器市场销售额排在前三位的公司分别是ARM、Motorola和MIPS，其中ARM公司的芯片销售量达1.5亿个，市场份额超过70%。1.1ARM－AdvancedRISCMachinesARM（AdvancedRISCMachines），既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。1991年ARM公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前，采用ARM技术知识产权(IP)核的微处理器，即通常所说的ARM微处理器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统、军用系统等各类产品市场，基于ARM技术的微处理器应用约占据了32位RISC微处理器70％以上的市场份额，ARM技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。ARM公司是专门从事基于RISC技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可，由合作公司生产各具特色的芯片，世界各大半导体生产商从ARM公司购买其ARM微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的ARM微处理器芯片进入市场。目前全世界有几十家大的半导体公司都使用ARM公司的授权，因此既使得ARM技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整个系统成本降低，使产品更容易进入市场并被消费者所接受，更具有竞争力。1.2ARM微处理器的应用领域及特点1.2.1ARM微处理器的应用领域到目前为止，ARM微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域：1)工业控制领域：作为32位的RISC架构，基于ARM核的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展，ARM微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8位/16位微控制器提出了挑战；2)无线通讯领域：目前已有超过85％的无线通讯设备采用了ARM技术，ARM以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固；3)网络应用：随着宽带技术的推广，采用ARM技术的ADSL芯片正逐步获得竞争优势。此外，ARM在语音及视频处理上进行了优化，并获得广泛的支持，也对DSP的应用领域提出了挑战；4)消费类电子产品：ARM技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用；5)成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用了ARM技术。手机中的32位SIM智能卡也采用了ARM技术。除此以外，ARM微处理器及技术还应用到许多不同的领域，并会在将来取得更广泛的应用。1.2.2ARM微处理器的特点采用RISC架构的ARM微处理器一般具有如下特点：1)体积小、低功耗、低成本、高性能；2)支持Thumb(16位)/ARM(32位)双指令集，能很好的兼容8/16位器件；3)大量使用寄存器，指令执行速度更快；4)大多数数据操作都在寄存器中完成；5)寻址方式灵活简单，执行效率高；6)指令长度固定。1.3ARM微处理器系列ARM微处理器目前包括ARM7系列、ARM9系列、ARM9E系列、ARM10E系列、SecurCore系列、Intel的StrongARM、Xscale等多个系列，除了具有ARM体系结构的共同特点以外，每一个系列的ARM微处理器都有各自的特点和应用领域。其中，ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10为4个通用处理器系列，每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。SecurCore系列专门为安全要求较高的应用而设计。以下我们来详细了解一下各种处理器的特点及其应用领域。1.3.1ARM7微处理器系列ARM7系列微处理器为低功耗的32位RISC处理器，最适合用于对价位和功耗要求比较严格的消费类应用。ARM7微处理器系列具有如下特点：1)具有嵌入式ICE-RT逻辑，调试开发方便；2)极低的功耗，适合对功耗要求严格的应用，如便携式产品；3)能够提供0.9MIPS/MHz的三级流水线结构；4)代码密度高并兼容16位的Thumb指令集；5)对操作系统的支持广泛，包括WindowsCE、Linux、PalmOS等；6)指令系统与ARM9、ARM9E和ARM10E系列兼容，便于用户的产品升级换代；7)主频最高可达130MIPS，高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂应用。ARM7系列微处理器的主要应用领域为：工业控制、Internet设备、网络和调制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。ARM7系列微处理器包括如下几种类型的核：ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ。其中，ARM7TMDI是目前使用最广泛的32位嵌入式RISC处理器，属低端ARM处理器核。TDMI的基本含义为：T：支持16位压缩指令集Thumb；D：支持片上Debug；M：内嵌硬件乘法器（Multiplier）；I：嵌入式ICE，支持片上断点和调试点。1.3.2ARM9微处理器系列ARM9系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。具有以下特点：1)提供1.1MIPS/MHz5级流水线结构；2)支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集；3)支持32位的高速AMBA总线接口；4)全性能MMU，支持WindowsCE、Linux、PalmOS等主流嵌入式操作系统；5)MPU支持实时操作系统；6)支持数据Cache和指令Cache，具有更高的指令和数据处理能力。ARM9系列微处理器主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。它包含ARM920T、ARM922T和ARM940T三种类型。1.3.3ARM9E微处理器系列ARM9E系列微处理器为可综合处理器，使用单一的处理器内核提供了微控制器、DSP、Java应用系统的解决方案，极大地减少了芯片的面积和系统的复杂程度。ARM9E系列微处理器提供了增强的DSP处理能力，很适合于那些需要同时使用DSP和微控制器的应用场合。ARM9E系列微处理器的主要特点如下：1)支持DSP指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合；2)5级整数流水线，指令执行效率更高；3)支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集；4)支持32位的高速AMBA总线接口；5)支持VFP9浮点处理协处理器；6)全性能MMU，支持WindowsCE、Linux、PalmOS等主流嵌入式操作系统；7)MPU支持实时操作系统；8)支持数据Cache和指令Cache，具有更高的指令和数据处理能力；9)主频最高可达300MIPS。ARM9E系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、存储设备和网络设备等领域。它包含ARM926EJ-S、ARM946E-S和ARM966E-S三种类型。1.3.4ARM10E微处理器系列ARM10E系列微处理器具有高性能、低功耗的特点，由于采用了新的体系结构，与同等的ARM9器件相比较，在同样的时钟频率下，性能提高了近50％，同时，ARM10E系列微处理器采用了两种先进的节能方式，使其功耗极低。ARM10E系列微处理器的主要特点如下：1)支持DSP指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合；2)6级整数流水线，指令执行效率更高；3)支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集；4)支持32位的高速AMBA总线接口；5)支持VFP10浮点处理协处理器；6)全性能MMU，支持WindowsCE、Linux、PalmOS等主流嵌入式操作系统；7)支持数据Cache和指令Cache，具有更高的指令和数据处理能力；8)主频最高可达400MIPS；9)内嵌并行读/写操作部件。ARM10E系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、通信和信息系统等领域。它包含ARM1020E、ARM1022E和ARM1026EJ-S三种类型。1.3.5SecurCore微处理器系列SecurCore系列微处理器专为安全需要而设计，提供了完善的32位RISC技术的安全解决方案，因此，它除了具有ARM体系结构的低功耗、高性能的特点外，还具有其独特的优势，即提供了对安全解决方案的支持。SecurCore系列微处理器在系统安全方面具有如下的特点：1)带有灵活的保护单元，以确保操作系统和应用数据的安全；2)采用软内核技术，防止外部对其进行扫描探测；3)可集成用户自己的安全特性和其他协处理器。SecurCore系列微处理器主要应用于一些对安全性要求较高的应用产品及应用系统，如电子商务、电子政务、电子银行业务、网络和认证系统等领域。它包含SecurCoreSC100、SecurCoreSC110、SecurCoreSC200和SecurCoreSC210四种类型。1.3.6StrongARM微处理器系列IntelStrongARMSA-1100以及IntelStrongARMSA-1110处理器是采用ARM体系结构，高度集成的32位RISC微处理器。融合了Intel公司的设计和处理技术以及ARM体系结构的电源效率，采用在软件上兼容ARMv4体系结构、同时采用具有Intel技术优点的体系结构。IntelStrongARM处理器是便携式通讯产品和消费类电子产品的理想选择，已成功应用于多家公司的掌上电脑系列产品。1.3.7Xscale处理器Xscale处理器是基于ARMv5TE体系结构的解决方案，是一款全性能、高性价比、低功耗的处理器。它支持16位的Thumb指令和DSP指令集，已使用在数字移动电话、个人数字助理和网络产品等场合。Xscale处理器是Intel目前主要推广的一款ARM微处理器。1.4ARM微处理器结构1.4.1RISC体系结构传统的CISC（ComplexInstructionSetComputer，复杂指令集计算机）结构有其固有的缺点，即随着计算机技术的发展而不断引入新的复杂的指令集，为支持这些新增的指令，计算机的体系结构越来越复杂，然而，在CISC指令集的各种指令中，其使用频率却相差悬殊，大约有20％的指令被反复使用，占整个程序代码的80％。而余下的80％的指令却不经常使用，在程序设计中只占20％，显然，这种结构是不太合理的。基于以上不合理性，19