ARM微處理器的一些基本概念

1、本章簡(jiǎn)介ARM微處理器的一些基本概念、應(yīng)用領(lǐng)域及特點(diǎn)，引導(dǎo)讀者進(jìn)入ARM技術(shù)的殿堂。本章主要內(nèi)容：ARM及相關(guān)技術(shù)簡(jiǎn)介ARM微處理器的應(yīng)用領(lǐng)域及特點(diǎn)ARM微處理器系列ARM微處理器的體系結(jié)構(gòu)ARM微處理器的應(yīng)用選型1.1ARMAdvanced RISC MachinesARM（Advanced RISC Machines），既可以認(rèn)為是一個(gè)公司的名字，也可以認(rèn)為是對(duì)一類(lèi)微處理器的通稱(chēng)，還可以認(rèn)為是一種技術(shù)的名字。1991年ARM公司成立于英國(guó)劍橋，主要出售芯片設(shè)計(jì)技術(shù)的授權(quán)。目前，采用ARM技術(shù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）核的微處理器，即我們通常所說(shuō)的ARM微處理器，已遍及工業(yè)控制、消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品、通信系

2、統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無(wú)線系統(tǒng)等各類(lèi)產(chǎn)品市場(chǎng)，基于ARM技術(shù)的微處理器應(yīng)用約占據(jù)了32位RISC微處理器75以上的市場(chǎng)份額，ARM技術(shù)正在逐步滲入到我們生活的各個(gè)方面。ARM公司是專(zhuān)門(mén)從事基于RISC技術(shù)芯片設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的公司，作為知識(shí)產(chǎn)權(quán)供應(yīng)商，本身不直接從事芯片生產(chǎn)，靠轉(zhuǎn)讓設(shè)計(jì)許可由合作公司生產(chǎn)各具特色的芯片，世界各大半導(dǎo)體生產(chǎn)商從ARM公司購(gòu)買(mǎi)其設(shè)計(jì)的ARM微處理器核，根據(jù)各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域，加入適當(dāng)?shù)耐鈬娐?，從而形成自己的ARM微處理器芯片進(jìn)入市場(chǎng)。目前，全世界有幾十家大的半導(dǎo)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(gè)系統(tǒng)成本降低，使產(chǎn)品更

3、容易進(jìn)入市場(chǎng)被消費(fèi)者所接受，更具有競(jìng)爭(zhēng)力。1.2ARM微處理器的應(yīng)用領(lǐng)域及特點(diǎn)ARM微處理器的應(yīng)用領(lǐng)域到目前為止，ARM微處理器及技術(shù)的應(yīng)用幾乎已經(jīng)深入到各個(gè)領(lǐng)域：1、工業(yè)控制領(lǐng)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(chǎng)的大部分市場(chǎng)份額，同時(shí)也逐漸向低端微控制器應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展，ARM微控制器的低功耗、高性?xún)r(jià)比，向傳統(tǒng)的8位/16位微控制器提出了挑戰(zhàn)。2、無(wú)線通訊領(lǐng)域：目前已有超過(guò)85%的無(wú)線通訊設(shè)備采用了ARM技術(shù)， ARM以其高性能和低成本，在該領(lǐng)域的地位日益鞏固。3、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)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(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。此外，AR

4、M在語(yǔ)音及視頻處理上行了優(yōu)化，并獲得廣泛支持，也對(duì)DSP的應(yīng)用領(lǐng)域提出了挑戰(zhàn)。4、消費(fèi)類(lèi)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(jī)頂盒和游戲機(jī)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(jī)和打印機(jī)中絕大部分采用ARM技術(shù)。手機(jī)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(yīng)用到許多不同的領(lǐng)域，并會(huì)在將來(lái)取得更加廣泛的應(yīng)用。ARM微處理器的特點(diǎn)采用RISC架構(gòu)的ARM微處理器一般具有如下特點(diǎn)：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

5、；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(jiǎn)單，執(zhí)行效率高；6、指令長(zhǎng)度固定；1.3ARM微處理器系列ARM微處理器目前包括下面幾個(gè)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(diǎn)以外，每一個(gè)系列的ARM微處理器都有各自的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。ARM7系列ARM9系列ARM9E系列ARM10E系列SecurCore系列Inter的XscaleInter的StrongARM其中，ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10為4個(gè)通用處理器系列，每一個(gè)系列提供一套相對(duì)獨(dú)特的性能來(lái)滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求。SecurCore系列專(zhuān)門(mén)為安全要求較高的應(yīng)用而設(shè)計(jì)。以下我們

6、來(lái)詳細(xì)了解一下各種處理器的特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域。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(duì)價(jià)位和功耗要求較高的消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用。ARM7微處理器系列具有如下特點(diǎn)：具有嵌入式ICERT邏輯，調(diào)試開(kāi)發(fā)方便。極低的功耗，適合對(duì)功耗要求較高的應(yīng)用，如便攜式產(chǎn)品。能夠提供0.9MIPS/MHz的三級(jí)流水線結(jié)構(gòu)。代碼密度高并兼容16位的Thumb指令集。對(duì)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(jí)換代。主頻最高可達(dá)130MIPS，高速的運(yùn)算處理能力能勝任絕大多數(shù)的

7、復(fù)雜應(yīng)用。ARM7系列微處理器的主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)椋汗I(yè)控制、Internet設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和調(diào)制解調(diào)器設(shè)備、移動(dòng)電話等多種多媒體和嵌入式應(yīng)用。ARM7系列微處理器包括如下幾種類(lèi)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(diǎn)和調(diào)試點(diǎn)；本書(shū)所介紹的Samsung公司的S3C4510B即屬于該系列的處理器。ARM9微處理器系列ARM9

8、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(diǎn)：5級(jí)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。支持?jǐn)?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(yīng)用于無(wú)線設(shè)備、儀器儀表、安全系統(tǒng)、機(jī)頂盒、高端打印機(jī)、數(shù)字照相機(jī)和數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等。ARM9系列微處理器包含ARM920T、ARM922T和ARM940T三種類(lèi)型，以適用于不

9、同的應(yīng)用場(chǎng)合。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(yīng)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(fù)雜程度。ARM9E系列微處理器提供了增強(qiáng)的DSP處理能力，很適合于那些需要同時(shí)使用DSP和微控制器的應(yīng)用場(chǎng)合。ARM9E系列微處理器的主要特點(diǎn)如下：支持DSP指令集，適合于需要高速數(shù)字信號(hào)處理的場(chǎng)合。5級(jí)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(diǎn)處理協(xié)處理器。全性能的MMU，支持Windows CE、Linux、Palm OS等多種主

10、流嵌入式操作系統(tǒng)。MPU支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。支持?jǐn)?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(dá)300MIPS。ARM9系列微處理器主要應(yīng)用于下一代無(wú)線設(shè)備、數(shù)字消費(fèi)品、成像設(shè)備、工業(yè)控制、存儲(chǔ)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等領(lǐng)域。ARM9E系列微處理器包含ARM926EJ-S、ARM946E-S和ARM966E-S三種類(lèi)型，以適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合。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(diǎn)，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(shí)鐘頻率下，性能提高了近50，同時(shí)，ARM10E系列微處理器采用了兩種先進(jìn)的節(jié)能方式，使其功耗極低。ARM

11、10E系列微處理器的主要特點(diǎn)如下：支持DSP指令集，適合于需要高速數(shù)字信號(hào)處理的場(chǎng)合。6級(jí)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(diǎn)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?jǐn)?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(dá)400MIPS。內(nèi)嵌并行讀/寫(xiě)操作部件。ARM10E系列微處理器主要應(yīng)用于下一代無(wú)線設(shè)備、數(shù)字消費(fèi)品、成像設(shè)備、工業(yè)控制、通信和信息系統(tǒng)等領(lǐng)域。ARM10E系列微處理器包含ARM1020E、ARM

12、1022E和ARM1026EJ-S三種類(lèi)型，以適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合。SecurCore微處理器系列SecurCore系列微處理器專(zhuān)為安全需要而設(shè)計(jì)，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(diǎn)外，還具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，即提供了對(duì)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(diǎn)外，還在系統(tǒng)安全方面具有如下的特點(diǎn)：帶有靈活的保護(hù)單元，以確保操作系統(tǒng)和應(yīng)用數(shù)據(jù)的安全。采用軟內(nèi)核技術(shù)，防止外部對(duì)其進(jìn)行掃描探測(cè)?？杉捎脩糇约旱陌踩匦院推渌麉f(xié)處理器。SecurCore系列微處理器主要應(yīng)用

13、于一些對(duì)安全性要求較高的應(yīng)用產(chǎn)品及應(yīng)用系統(tǒng)，如電子商務(wù)、電子政務(wù)、電子銀行業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)和認(rèn)證系統(tǒng)等領(lǐng)域。SecurCore系列微處理器包含SecurCore SC100、SecurCore SC110、SecurCore SC200和SecurCore SC210四種類(lèi)型，以適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合。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(shè)計(jì)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(shí)采用具有Intel技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的體系結(jié)構(gòu)。Intel Stron

14、gARM處理器是便攜式通訊產(chǎn)品和消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品的理想選擇，已成功應(yīng)用于多家公司的掌上電腦系列產(chǎn)品。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?xún)r(jià)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(dòng)電話、個(gè)人數(shù)字助理和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品等場(chǎng)合。Xscale 處理器是Inter目前主要推廣的一款A(yù)RM微處理器。1.4ARM微處理器結(jié)構(gòu)RISC體系結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的CISC（Complex Instruction Set Computer，復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)）結(jié)構(gòu)有其固有的缺點(diǎn)，即隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而不斷引入新的復(fù)雜的指令集，為支持這些新

15、增的指令，計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)會(huì)越來(lái)越復(fù)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(huì)被反復(fù)使用，占整個(gè)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(shè)計(jì)中只占20，顯然，這種結(jié)構(gòu)是不太合理的?；谝陨系牟缓侠硇?，1979年美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校提出了RISC（Reduced Instruction Set Computer，精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)）的概念，RISC并非只是簡(jiǎn)單地去減少指令，而是把著眼點(diǎn)放在了如何使計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單合理地提高運(yùn)算速度上。RISC結(jié)構(gòu)優(yōu)先選取使用頻最高的簡(jiǎn)單指令，避免復(fù)雜指令；將指令長(zhǎng)度固定，指令格式和尋地方式種類(lèi)減少；以控制邏

16、輯為主，不用或少用微碼控制等措施來(lái)達(dá)到上述目的。到目前為止，RISC體系結(jié)構(gòu)也還沒(méi)有嚴(yán)格的定義，一般認(rèn)為，RISC體系結(jié)構(gòu)應(yīng)具有如下特點(diǎn)： 采用固定長(zhǎng)度的指令格式，指令歸整、簡(jiǎn)單、基本尋址方式有23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(duì)寄存器進(jìn)行操作，只有加載/ 存儲(chǔ)指令可以訪問(wèn)存儲(chǔ)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(chǔ)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

17、中同時(shí)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(dòng)增減來(lái)提高運(yùn)行效率。當(dāng)然，和CISC架構(gòu)相比較，盡管RISC架構(gòu)有上述的優(yōu)點(diǎn)，但決不能認(rèn)為RISC架構(gòu)就可以取代CISC架構(gòu)，事實(shí)上，RISC和CISC各有優(yōu)勢(shì)，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(zhǎng)指令集CPU就是融合了RISC和CISC的優(yōu)勢(shì)，成為未來(lái)的CPU發(fā)展方向之一。RM微處理器的寄存器結(jié)構(gòu)ARM處理器共有37個(gè)寄存器，被分為若干個(gè)組（BANK），這些寄存器包括： 31個(gè)通用寄存器，包括程序計(jì)數(shù)器（PC指針），均為32位的寄存器。 6個(gè)狀態(tài)寄存器，用以標(biāo)識(shí)CPU的工作狀態(tài)及程

18、序的運(yùn)行狀態(tài)，均為32位，目前只使用了其中的一部分。同時(shí)，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(yīng)的寄存器與之對(duì)應(yīng)。即在任意一種處理器模式下，可訪問(wèn)的寄存器包括15個(gè)通用寄存器（R0R14）、一至二個(gè)狀態(tài)寄存器和程序計(jì)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(gè)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(guān)于ARM處理器的寄存器結(jié)構(gòu)，在后面的相關(guān)章節(jié)將會(huì)詳細(xì)描述。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(zhǎng)度，Thumb指令為16位長(zhǎng)度

19、。Thumb指令集為ARM指令集的功能子集，但與等價(jià)的ARM代碼相比較，可節(jié)省3040以上的存儲(chǔ)空間，同時(shí)具備32位代碼的所有優(yōu)點(diǎn)。關(guān)于ARM處理器的指令結(jié)構(gòu)，在后面的相關(guān)章節(jié)將會(huì)詳細(xì)描述。1.5ARM微處理器的應(yīng)用選型鑒于ARM微處理器的眾多優(yōu)點(diǎn)，隨著國(guó)內(nèi)外嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域的逐步發(fā)展，ARM微處理器必然會(huì)獲得廣泛的重視和應(yīng)用。但是，由于ARM微處理器有多達(dá)十幾種的內(nèi)核結(jié)構(gòu)，幾十個(gè)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(kāi)發(fā)人員在選擇方案時(shí)帶來(lái)一定的困難，所以，對(duì)ARM芯片做一些對(duì)比研究是十分必要的。以下從應(yīng)用的角度出發(fā)，對(duì)在選擇ARM微處理器時(shí)所應(yīng)考慮的主要問(wèn)題做一些簡(jiǎn)要的探討。ARM

20、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(yīng)不同的應(yīng)用領(lǐng)域，用戶如果希望使用WinCE或標(biāo)準(zhǔn)Linux等操作系統(tǒng)以減少軟件開(kāi)發(fā)時(shí)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(méi)有MMU，不支持Windows CE和標(biāo)準(zhǔn)Linux，但目前有uCLinux等不需要MMU支持的操作系統(tǒng)可運(yùn)行于ARM7TDMI硬件平臺(tái)之上。事實(shí)上，uCLinux已經(jīng)成功移植到多種不帶MMU的微處理器平臺(tái)上，并在穩(wěn)定性和其他方面都有上佳表現(xiàn)。本書(shū)所討論的S3C451