ARM微处理器体系结构和发展

ARMARMARMARM微处理器体系结构与发展综述舒梦雨（通信0903U200913849）摘要：嵌入式微处理器是体系结构研究领域的一个热点。文章以ARM微处理器体系架构为对象，对其结构特点和发展线路图作了研究和探讨，简要介绍了几个厂家系列产品的特点和应用场合，并描述了开发所需要的开发环境和工具。关键词：ARM体系结构；嵌入式微处理器TheTheTheTheArchitectureArchitectureArchitectureArchitectureofofofofARMARMARMARMandandandandDevelopmentDevelopmentDevelopmentDevelopment[abstract][abstract][abstract][abstract]Embeddedmicroprocessorhasbeenoneofthehotspotsinthecomputerarchitectureresearcharea.BasedontheARMmicroprocessorarchitecture,thisthesisstudiesthearchitectureanddevelopmentofthe32bitARMseriesmicroprocessor,andbrieflyintroducescharacteristicsandapplicationsofsometypicalchipsbasedonARMcore,anddescribesthedevelopmentenvironmentandtools.[key[key[key[keywords]words]words]words]ARMarchitecture;Embeddedmicroprocessor1.1.1.1.概述嵌入式系统一般指非PC系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器/微处理器、存储器及外设器件和I/O端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件（OS）（要求实时和多任务操作）和应用程序编程。有时设计人员把这两种软件组合在一起。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般具备以下4个特点：（1）对实时多任务有很强的支持功能，能完成多任务并且有较短的中断时间；（2）具有功能较强的存储区保护功能；（3）可扩展的处理器结构，以能最迅速地开发出满足应用的各种性能的嵌入式微处器；（4）功耗很低。嵌入式处理器的基础是通用计算机中的CPU。但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都作了各种增强。具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点，芯片中往往包括少量ROM和RAM甚至一定容量的FLASH，一般还包括总线接口、常用设备的控制器、各种外设等器件，从而极大的减少了构成系统的复杂性，因此又称之为片上系统（SystemOnchip,SOC）。ARM(AdvancedRISCMachine)是英国ARM公司设计开发的通用32位RISC微处理器体系结构，其主要优势在于简单的设计和高效的指令集。ARM的设计目标是微型化、低功耗、高性能的微处理器实现。目前，ARM微处理器家族在嵌入式系统、掌上电脑、智能卡和GSM中断控制器等领域获得了广泛地应用，几乎占据了嵌入式处理器的半壁江山。2.2.2.2.ARMARMARMARM体系结构作为一种RISC体系结构的微处理器，ARM微处理器具有RISC体系结构的典型特征。还具有以下特点：（1）在每条数据处理器指令当中，都控制算术逻辑单元（ALU）和移位器，以使ALU和移位器获得最大的利用率；（2）自动递增和自动递减的寻址模式，以优化程序中的循环；（3）同时Load和Store多条指令，以增加数据吞吐率；（4）所有指令都条件执行，以增大执行吞吐量。这些是对基本RISC体系结构的增强，使得ARM处理器可以在高性能、小代码尺寸、低功耗和小芯片面积之间获得好的平衡。作为一种RISC微处理器，ARM指令集的效率比基于CISC的系统高得多。指令集由11个基本指令类型组成，两种用于片上ALU、环形移位器和乘法器，3种用于控制存储器和寄存器之间的数据传送，另外3种控制执行的数据流和特权级别。最后3种指令用于控制外部协处理器，这使得指令集的功能可以在片外得到扩展。对于一些高级语言的编译器来说，ARM的指令集是比较理想的。而且汇编器的编码也非常简单。ARM指令集的另一个特征是所有的指令都支持条件执行。高效的指令集和简答的设计的结合，使ARM成为一种低功耗、小规模（近30万晶体管）、低价位和相对来说高性能的处理器。（1）数据表示ARM体系结构的字长为32位，它们都支持8位、16位、32位3种数据类型。（2）处理器模式ARM处理器支持7种处理器模式，如表1。表1处理器模式表（3）寄存器结构ARM处理器有37个寄存器，其中31个是32位的通用寄存器，包括一个程序计数器（ProgramCounter,PC）。在任何一种处理器模式下，其中的16个通用寄存器都是可见的。其它的寄存器用来加速异常处理。ARM指令当中指定的所有寄存器都可以从这16个可见的寄存器中寻址。（4）指令集ARM指令集中的指令可以分为6个大类：分支指令、数据处理指令、状态寄存器转移指令、Load/Store指令、协处理器指令和异常产生指令。大部分数据处理指令和一部分协处理器指令在执行完毕之后需要根据指令执行的结果来更新程序状态寄存器当中的4个条件标志位（Negative,Zero,Carry,Overflow）。3.3.3.3.ARMARMARMARM发展线路图ARM体系结构在其发展过程中经历了多次修订。对各种体系结构的版本介绍如下：版本1ARM体系结构版本1描述的是第一个ARM处理器，由AcornComputer公司在1983-1985年间开发。第一批ARM芯片仅支持26位寻址，不支持乘法或协处理器。在附属于BBC微计算机的ARM第二个处理器中，它得到了惟一的应用。这种微计算机制造得很少，但是使ARM成为第一个商用单片RISC微处理器。它们也在Acorn内部用于Archimedes（阿基米德）个人工作站的样机。版本2ARM2芯片在Acorn的Archimedes和A3000产品中批量销售。它仍然是26位地址的机器，但包含了对32位结果的乘法指令和协处理器的支持。ARM2使用了ARM公司现在称为ARM体系结构版本2的体系结构。版本2aARM3芯片是第一片具有片上Cache的ARM。这一体系结构非常类似于版本2，但是增加了合并的Load/Store指令，并引入了使用协处理器15作为系统控制协处理器来管理Cache。版本3ARM公司成立独立的公司后，在1990年设计的第一个微处理器是ARM6。它作为宏单元，作为独立的处理器（ARM60）和作为具有片上Cache、MMU和写缓冲（用于AppleNewton的ARM600和ARM610）的集成CPU来出售。ARM6引入ARM体系结构版本3，它具有32位地址以及分开的CPSR和SPSR，并增加了未定义和异常中止模式，以便在监控模式下支持协处理器仿真和虚拟存储器。ARM体系结构版本3向后同版本2a兼容，允许硬连线26位操作或在过程之间26位和32位混合操作。版本3GARM体系结构3G是不与版本2a向后兼容的版本3。版本3MARM体系结构版本3M引入了有符号和无符号数乘法和乘-加指令。这些指令产生全部64位结果。版本4体系结构版本4增加了有符号和无符号半字和有符号字节Load/Store指令，并为结构定义的操作预留了一些SWI空间。引入了系统模式，将几个未使用指令空间的角落作为未定义指令使用。版本4T在体系结构版本4T中引入了16位Thumb压缩形式的指令集。版本5T它是体系结构版本4T的扩展集，加入了BLX、CLZ和BKPT指令。版本5TE此版本在体系结构5T版本的基础上增加了一些信号处理指令集。表2ARM体系结构总结4.4.4.4.几种ARMARMARMARM处理器产品（1）Intel的StrongARMSA1110IntelSA1110处理器的一些主要特征：1）具有高性能、高集成度和低功耗；2）100Mhz的高速内存总线和灵活的存储控制器，提供对SDRAM和延迟各不相同的外部设备的支持；3）强大的开发环境使产品周期缩短。IntelStrongARMSA1110处理器主要用于掌上设备、PC附属设备、smartphone和其他新型的无线多媒体设备。（2）Motorola的MC9328MX1MC9328MX1的特性主要如下：1）它是一种用于个人便携式掌上设备的DragonBall处理器家族第五代产品；2）高度片上集成，具有高性能的TMT920ARM微处理器核；3）低功耗的电源系统设计：内部1.8V，外部2.7-3.3V，而又没有牺牲功能；4）在200Mhz以上运行，为多媒体应用进行了优化，支持彩色TFT显示器和单色LCD、ADC、MMC/SD、TMStickMemorySony、Smartcard界面和CMOS传感器界面；5）通过RF界面，为Bluetooth应用进行了优化，提供了以低开销向掌上设备添加无线通信能力的手段；6）封装在256针的塑料球棚阵列中；7）与DragonBall处理器家族的其他成员比较，增加了外部设备的智能化DMA、片上存储、MPEG4和MP3能力等系统性能。Motorola的MX产品主要作为个人便携式设备市场的SOC微处理器，应用范围广泛，可以用于最流行的PDA设计、微软的Smartphone移动通信平台和下一代的无线通信设备；（3）CirrusLogic的EP7000系列此系列的性能特征如下：1）较大的SRAM；2）DAI界面为所有的行业标准采样速率提供了可编程的连续快；3）为16位或32位SDRAM设备提供了SDRAM控制器；4）PLL调节装置，用于调节CPU块的带宽和性能的增加。EP7000系列主要用于PDA、双向呼叫机、智能蜂窝电话和附加数字音频解压功能的手持型设备。5.5.5.5.ARMARMARMARM发开环境////工具ARM公司开发了一系列工具以支持ARM软件的开发，也有许多第三方和公共领域的工具可以使用，诸如ARM后端用于gcc的C编译器。因为ARM广泛地用作嵌入式控制器，其目标硬件将不会为软件准备良好的开发环境，所以开发工具可进行来自一个平台的交叉开发。交叉开发工具套件的整体结构如下：图1ARM交叉开发工具套件结构6.6.6.6.结束语ARM微处理器是一种高性能、低功耗的32位RISC微处理器，它被广泛应用于嵌入式系统当中。为了追求高性能和对高级语言编译器的支持，ARM指令集的编码方式与正统的RISC指令集机器有所不同。目前，几乎所有的嵌入式系统设计和生产厂家都使用基于ARM核的处理器，包括Intel、Motorola、TI、NEC、日立、联想的掌上电脑、恒基伟业的商务通、3Com的Patm等都有采用ARM处理器的产品，可以预计，基于ARM的产品会越来越多。参考文献[1]ARMArchitectureRefrenceManual[R/OL].AdvancedRISCMachineLtd.(ARM),2000[2]IntelRStrongARMSA-1110Processor[R/OL].IntelCorporation,2001[3]SteveFurber.ARMSoC体系结构[M].第二版.（田泽，于敦山，盛世敏译）.北京：北京航空航天大学出版社，2002[4]张晨曦.计算机体系结构[M].北京：高等教育出版社，2000[5]周立功，王祖麟等.ARM嵌入式系统基础教程[M].第二版.北京：北京航空航天大学出版社，2008