第二章嵌入式處理器(上)

嵌入式系統(tǒng)原理與開發(fā)第二章嵌入式處理器(上)

第二章嵌入式處理器2.1引言

2.2 嵌入式處理器概述2.3 ARM處理器基礎

2.4 ARM指令系統(tǒng)2.5 ARM程序設計基礎2.1引言嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)最核心的部件。RISC結構已經(jīng)被證明是嵌入式處理器最適合的結構。ARM處理器是真正意義上的RISC結構的處理器，且具有處理速度快、功耗低、價格便宜等方面的優(yōu)點，得到了廣泛使用。2.1引言本章以ARM處理器為例來介紹嵌入式處理器。在概要介紹處理器背景知識的基礎上，主要內(nèi)容偏重于介紹處理器的指令系統(tǒng)和基于處理器的編程基礎。第二章嵌入式處理器2.1引言

2.2 嵌入式處理器概述2.3 ARM處理器基礎

2.4 ARM指令系統(tǒng)2.5 ARM程序設計基礎2.2嵌入式處理器概述2.2.1嵌入式處理器的分類2.2.2典型的嵌入式處理器2.2.1嵌入式處理器的分類2.2嵌入式處理器概述

嵌入式處理器嵌入式微控制器（MCU）嵌入式微處理器（MPU）嵌入式DSP（DSP）嵌入式片上系統(tǒng)（SoC）1.嵌入式微控制器(MicroController)

嵌入式微控制器又稱單片機，就是將整個計算機系統(tǒng)集成到一塊芯片中。嵌入式微控制器將CPU、存儲器（少量的RAM、ROM或兩者都有）和其他外設封裝在同一片集成電路里，因為其片上外設資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱為微控制器。2.2.1嵌入式處理器的分類例：Intel8085MicroprocessorIntroducedin19748-bitarchitectureStillusedinsomemicrocontrollerapplications!1.嵌入式微控制器(MicroController)與嵌入式微處理器相比，微控制器的最大特點是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本降低、可靠性提高。由于微控制器低廉的價格、優(yōu)良的功能，所以擁有的品種和數(shù)量最多，是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。2.2.1嵌入式處理器的分類1.嵌入式微控制器(MicroController)比較有代表性的通用系列包括8051、C166/167、MCS-251、MCS-96/196/296、P51XA、MC68HC05/11/12/16、68300等。還有許多半通用系列，如支持USB接口的MCU8XC930/931、C540、C541；支持I2C、CAN、LCD及眾多專用MCU和兼容系列。2.2.1嵌入式處理器的分類2.嵌入式微處理器(MicroProcessorUnit)嵌入式微處理器是由通用計算機中的CPU演變而來的。與通用計算機處理器不同，在實際應用中，嵌入式系統(tǒng)將微處理器裝配在專門設計的電路板上，只保留與嵌入式應用緊密相關的功能硬件，以滿足嵌入式系統(tǒng)體積小、功耗低的特殊要求。2.2.1嵌入式處理器的分類2.嵌入式微處理器(MicroProcessorUnit)與工業(yè)控制計算機相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低和可靠性高的優(yōu)點。目前的嵌入式微處理器主要有Am186/88、386EX、PowerPC、ARM、MIPS、Motorola68K等。2.2.1嵌入式處理器的分類3.嵌入式DSP(DigitalSignalProcessor

)嵌入式DSP是專門用于信號處理的嵌入式芯片。

DSP處理器在系統(tǒng)結構和指令算法方面進行了特殊設計，使其適合于執(zhí)行DSP算法，使其適合于執(zhí)行DSP算法，因而能夠?qū)﹄x散時間信號進行極快的處理計算，提高了編譯效率和執(zhí)行速度。2.2.1嵌入式處理器的分類3.嵌入式DSP(DigitalSignalProcessor

)在數(shù)字濾波、FFT、頻譜分析等方面，嵌入式DSP獲得了大規(guī)模的應用。嵌入式DSP處理器主要有兩方面的應用：一方面，嵌入式DSP處理器經(jīng)過單片化設計，通過在片上增加豐富的外設使之成為具有高性能DSP功能的片上系統(tǒng)；另一方面，在微處理器、微控制器或片上系統(tǒng)中增加DSP協(xié)處理器來實現(xiàn)DSP運算。2.2.1嵌入式處理器的分類4.嵌入式片上系統(tǒng)(SystemonChip

)片上系統(tǒng)SoC是20世紀90年代后出現(xiàn)的一種新的嵌入式集成器件。在嵌入式系統(tǒng)設計從“集成電路”級設計不斷轉(zhuǎn)向“集成系統(tǒng)”級設計過程中，提出了SoC的概念。

Soc追求產(chǎn)品系統(tǒng)的最大包容，已成為提高移動通信、網(wǎng)絡、信息家電、高速計算、多媒體應用以及軍用電子系統(tǒng)性能的核心器件。2.2.1嵌入式處理器的分類4.嵌入式片上系統(tǒng)(SystemonChip

)

SoC不是把系統(tǒng)所需要的所有集成電路簡單地二次集成到一個芯片上，而是從整個系統(tǒng)的性能要求出發(fā)，把各層次電路器件緊密結合起來，并通過系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設計，在單個芯片上實現(xiàn)整個系統(tǒng)的功能。

SoC最大的特點就是成功實現(xiàn)了軟硬件無縫結合，直接在處理器片內(nèi)嵌入操作系統(tǒng)的代碼模塊，滿足了單片系統(tǒng)所要求的高密度、高速度、高性能、小體積、低電壓和低功耗等指標。2.2.1嵌入式處理器的分類4.嵌入式片上系統(tǒng)(SystemonChip

)目前比較典型的幾款SoC產(chǎn)品包括Siemens的TriCore、Philips的SmartXA、Motorola的M-Core、某些ARM系列器件、Echelon和Motorola聯(lián)合研制的Neuron芯片等。2.2.1嵌入式處理器的分類2.2嵌入式處理器概述

2.2.1嵌入式處理器的分類2.2.2典型的嵌入式處理器2.2.2典型的嵌入式處理器

ARM處理器

PowerPC處理器

MIPS處理器

Sparc處理器龍芯一號處理器2.2嵌入式處理器概述

1.ARM處理器2.2.2典型的嵌入式處理器

英國先進RISC機器公司（AdvancedRISCMachines，ARM）是全球領先的16/32位RISC微處理器知識產(chǎn)權（IntellectualProperty，IP）供應商。

ARM公司本身不直接從事芯片生產(chǎn)，而是依靠轉(zhuǎn)讓微處理器、外圍和系統(tǒng)芯片的設計技術給合作公司，由合作公司使用這些技術來生產(chǎn)各具特色的芯片。1.ARM處理器

ARM已成為移動通信、手持設備、多媒體數(shù)字消費等嵌入式解決方案事實上的標準。

ARM進入中國幾年以來，已經(jīng)與中興、華為、東南大學、上海集成電路設計中心、中芯國際以及大唐簽訂了芯片核心技術授權協(xié)議。2.2.2典型的嵌入式處理器

1.ARM處理器

ARM處理器本身是32位設計，但也配備16位指令集

。

ARM的Jazelle技術提供了Java加速，可得到比基于軟件的Java虛擬機高得多的性能。

ARM采用DSP指令集的擴充提供了增強的16位和32位算術運算能力，提高了性能和靈活性。

ARM還提供了兩個前沿特性——嵌入式ICE-RT邏輯和嵌入式跟蹤宏核系列，用以輔助帶嵌入式核的、高集成的SoC器件的調(diào)試。2.2.2典型的嵌入式處理器

1.ARM處理器基于ARM核嵌入式芯片的典型應用主要有：2.2.2典型的嵌入式處理器

ARM應用消費娛樂產(chǎn)品數(shù)字影像產(chǎn)品軍事電子工業(yè)控制產(chǎn)品移動存貯無線產(chǎn)品存儲產(chǎn)品汽車產(chǎn)品網(wǎng)絡產(chǎn)品安全產(chǎn)品2.PowerPC處理器

PowerPC處理器品種很多，既有通用的處理器，又有嵌入式控制器和內(nèi)核。

PowerPC的特點是可伸縮性好、方便靈活。

PowerPC的應用范圍非常廣泛，從高端的工作站、服務器到桌面計算機系統(tǒng)，從消費電子到大型通信設備等各個方面。

2.2.2典型的嵌入式處理器

2.PowerPC處理器

PowerPC處理器的主頻從25MHz～700MHz不等，它們的能量消耗、大小、整合程度、價格等差別懸殊，主要產(chǎn)品的芯片型號有PowerPC750、PowerPC405和PowerPC440。2.2.2典型的嵌入式處理器

3.MIPS處理器

MIPS是MicroprocessorwithoutInterlockedPipelineStages的縮寫，即“無內(nèi)部互鎖流水級的微處理器”。

MIPS的機制是盡量利用軟件辦法避免流水線中的數(shù)據(jù)相關問題，最早在80年代初期由斯坦福（Stanford）大學Hennessy教授領導的研究小組研制出來的。2.2.2典型的嵌入式處理器

3.MIPS處理器

在嵌入式應用方面，MIPS系列微處理器是目前僅次于ARM的使用最廣泛的處理器之一，其應用領域覆蓋機頂盒、游戲機、路由器、激光打印機、掌上電腦等各個方面。

MIPS的系統(tǒng)結構及設計理念比較先進，強調(diào)軟硬件協(xié)同提供性能，同時簡化硬件設計。

MIPSIDF(MIPSIntegratedDevelopmentFramework)集成開發(fā)工具，特別適用于嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。2.2.2典型的嵌入式處理器

4.Sparc處理器

Sparc處理器是由著名的Sun公司自行研發(fā)的微處理器芯片。

Sun在64位UltraSparc處理器方面，主要有3個系列：可擴展的s系列主要用于高性能、易擴展的多處理器系統(tǒng)；集成式i系列將多種系統(tǒng)功能集成在一個處理器上，為單處理器系統(tǒng)提供了更高的效益；嵌入式e系列為用戶提供理想的性能價格比，其嵌入式應用包括瘦客戶機、電纜調(diào)制解調(diào)器和網(wǎng)絡接口等。2.2.2典型的嵌入式處理器

5.龍芯一號處理器

龍芯一號處理器是神州龍芯公司推出的兼顧通用及嵌入式處理器特點的新一代32位處理器。龍芯一號的投片成功，并通過了以SPECCPU2000為代表的一批性能和功能測試程序的嚴格測試，標志著我國在現(xiàn)代通用微處理器設計方面實現(xiàn)了"零"的突破，

打破了我國長期依賴國外CPU產(chǎn)品的無"芯"的歷史，也標志著國產(chǎn)安全服務器CPU和通用的嵌入式微處理器產(chǎn)業(yè)化的開始。2.2.2典型的嵌入式處理器

5.龍芯一號處理器

龍芯一號在通用CPU體系結構設計方面采用了許多先進的設計與實現(xiàn)技術，尤其在動態(tài)流水線的具體實現(xiàn)和硬件對系統(tǒng)安全性的支持方面，有獨特創(chuàng)新并申請了專利。

龍芯一號在片內(nèi)提供了一種特別設計的硬件機制，可以抗御緩沖區(qū)溢出攻擊，在硬件上根本抵制了緩沖區(qū)溢出類攻擊的危險，從而大大的增加的服務器的安全性。

2.2.2典型的嵌入式處理器

5.龍芯一號處理器

使用龍芯一號CPU可以構成更為安全的網(wǎng)絡安全服務器、網(wǎng)絡安全網(wǎng)關、網(wǎng)際防火墻、服務器網(wǎng)卡等對網(wǎng)絡安全有特殊需求的產(chǎn)品及應用。龍芯系列微處理器可廣泛應用于工業(yè)控制、信息家電、通訊、網(wǎng)絡設備、PDA、網(wǎng)絡終端、存儲服務器、安全服務器等產(chǎn)品上。2.2.2典型的嵌入式處理器

第二章嵌入式處理器2.1引言

2.2 嵌入式處理器概述2.3 ARM處理器基礎

2.4 ARM指令系統(tǒng)2.5 ARM程序設計基礎2.3ARM處理器基礎2.3.1ARM簡介

2.3.2ARM處理器系列2.3.3ARM處理器體系結構2.3.4ARM處理器應用選型

2.3.1ARM簡介 ARM處理器核因其卓越的性能和顯著優(yōu)點，已成為高性能、低功耗、低成本嵌入式處理器核的代名詞，得到了眾多半導體廠家和整機廠商的大力支持。2.3ARM處理器基礎1.ARM處理器的發(fā)展過程

1985年4月26日，第一個ARM原型在英國劍橋的Acorn計算機有限公司誕生，并成功的運行了測試程序。20世紀80年代后期，ARM很快開發(fā)成Acorn的臺式機產(chǎn)品，奠定了英國教育界計算機技術的基礎。

1990年，為廣泛推廣ARM技術而成立了AdvancedRISCMachinesLimited（簡稱為ARMLimited，ARM公司）。2.3.1ARM簡介1.ARM處理器的發(fā)展過程

20世紀90年代，ARM32位嵌人式RISC（ReducedInstructionSetComputer）處理器擴展到世界范圍，特別是占據(jù)了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系統(tǒng)應用領域的領先地位。

ARM公司雖然只成立10多年，但在1999年因移動電話火爆市場，其32位RISC處理器占市場份額超過了50%，成為業(yè)界龍頭老大。2001年初，ARM公司的32位RISC處理器市場占有率超過了75%。2.3.1ARM簡介1.ARM處理器的發(fā)展過程

ARM公司商業(yè)模式的強大之處在于其價格合理，全世界范圍有超過100個合作伙伴——包括半導體工業(yè)的著名公司。ARM公司專注于設計，其內(nèi)核耗電少、成本低、功能強，特有16/32位雙指令集。ARM已成為移動通信、手持計算、多媒體數(shù)字消費等嵌入式解決方案的RISC標準。在所有ARM處理器系列中，ARM7處理器系列應用最廣，采用ARM7處理器作為內(nèi)核生產(chǎn)芯片的公司最多。2.3.1ARM簡介2.ARM處理器的特點體積小、低功耗、低成本、高性能；支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集，能很好的兼容8位/16位器件；大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快；大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成，通過Load/Store結構在內(nèi)存和寄存器之間傳遞數(shù)據(jù)；尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高；指令長度固定。2.3.1ARM簡介3.ARM系列采用的特別技術

在同一條數(shù)據(jù)處理指令中包含算術邏輯處理單元進行算術處理和移位處理；使用地址自動增加（減少）來優(yōu)化程序中的循環(huán)處理；

Load/Store指令可以批量傳輸數(shù)據(jù)，從而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?；所有指令都可以根?jù)前面的指令執(zhí)行結果決定是否執(zhí)行，以提高指令執(zhí)行的效率。2.3.1ARM簡介4.ARM技術的突出成果

引入新穎的“Thumb”壓縮指令格式，降低了小型系統(tǒng)的成本和電源消耗；

ARM9、ARM10、StrongARM和ARM11等系列處理器的開發(fā)，顯著提高了ARM的性能，使得ARM技術在面向高端數(shù)字音頻、視頻處理等多媒體產(chǎn)品的應用中更加廣泛；先進的軟件開發(fā)和調(diào)試環(huán)境加快用戶產(chǎn)品的開發(fā)進程；廣泛的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟使ARM的嵌入式應用領域更加廣闊；嵌入在復雜SoC中、基于ARM核的調(diào)試系統(tǒng)代表著當今片上調(diào)試技術的前沿。

2.3.1ARM簡介ARM的發(fā)展歷程ARM的市場地理分部2.3ARM處理器基礎2.3.1ARM簡介

2.3.2ARM處理器系列2.3.3ARM處理器體系結構2.3.4ARM處理器應用選型

2.3.2ARM處理器系列

ARM7微處理器系列

ARM9微處理器系列

ARM9E微處理器系列

ARM10微處理器系列

SecurCore微處理器系列

StrongARM微處理器系列

Xscale處理器2.3ARM處理器基礎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系列微處理器的主要應用領域為：2.3.2ARM處理器系列工業(yè)控制

Internet設備網(wǎng)絡和調(diào)制解調(diào)器設備移動電話

…1.ARM7微處理器系列

ARM7微處理器系列具有如下特點：2.3.2ARM處理器系列具有嵌入式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。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。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。1.ARM7微處理器系列

ARM7系列微處理器的組成2.3.2ARM處理器系列1.ARM7微處理器系列

ARM7TDMI

ARM7TMDI是目前使用最廣泛的32位嵌入式RISC處理器，屬于低端ARM處理器核。ARM7TMDI的名稱含義為：2.3.2ARM處理器系列

ARM7 32位ARM體系結構4T版本，

ARM632位整型核的3V兼容的版本

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.ARM7微處理器系列ARM7TDMI-S

2.3.2ARM處理器系列

ARM7TMDI的可綜合（Synthesizable）版本（軟核）；最適用于可移植性和靈活性為關鍵的現(xiàn)代電子設計。1.ARM7微處理器系列

ARM720TARM720T是在ARM7TMDI處理器核的基礎上增加了一個8KB的指令和數(shù)據(jù)混合的Cache。外部存儲器和外圍器件通過AMBA總線主控單元訪問，同時還集成了寫緩沖器以及全性能的MMU。ARM720T最適合用于低功耗和體積為關鍵的應用。2.3.2ARM處理器系列2.ARM9微處理器系列

ARM9系列微處理器是在高性能和低功耗特性方面最佳的硬件宏單元。ARM9將流水線級數(shù)從ARM7的3級增加到5級，并使用指令于數(shù)據(jù)存儲器分開的哈佛（Harvard）體系結構。在相同工藝條件下，ARM9TMDI的性能近似為ARM7TMDI的2倍。

ARM9系列微處理器的主要應用領域為：引擎管理、無線設備、儀器儀表、安全系統(tǒng)、機頂盒、高端打印機、PDA、網(wǎng)絡電腦、數(shù)字照相機和數(shù)字攝像機等。2.3.2ARM處理器系列

ARM9微處理器系列具有如下特點：2.3.2ARM處理器系列

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。2.ARM9微處理器系列2.ARM9微處理器系列

ARM9系列微處理器的組成2.3.2ARM處理器系列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系列微處理器廣泛應用于硬盤驅(qū)動器和DVD播放器等海量存儲設備、調(diào)制解調(diào)器和軟調(diào)制解調(diào)器、PDA、店面終端、MPEGMP3音頻譯碼器、語音識別與合成，以及包括巡航控制和反鎖剎車等自動控制解決方案。2.3.2ARM處理器系列

ARM9E微處理器系列具有如下特點：2.3.2ARM處理器系列支持DSP指令集，適合需要高速數(shù)字信號處理的場合。提供1.1MIPS/MHz的5級整數(shù)流水線和哈佛結構，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WindowsCE、Linux、PalmOS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，有更高的指令和數(shù)據(jù)處理能力。主頻最高可達300MIPS。3.ARM9E微處理器系列3.ARM9E微處理器系列

ARM9E系列微處理器的組成2.3.2ARM處理器系列4.ARM10微處理器系列

ARM10系列微處理器屬于ARM處理器核中的高端處理器核，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，在同樣時鐘頻率下，ARM10的性能提高了近50％。同時，ARM10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。

ARM10系列微處理器專為數(shù)字機頂盒、管理器（organizer）和智能電話等高效手提設備而設計，并為復雜的視頻游戲機和高性能打印機提供高級的整數(shù)和浮點運算能力。2.3.2ARM處理器系列4.ARM10微處理器系列

ARM10微處理器系列具有如下特點：2.3.2ARM處理器系列支持DSP指令集。

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。4.ARM10微處理器系列

ARM10系列微處理器的組成2.3.2ARM處理器系列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，決方案具有特定的抗篡改（resisttampering）和反工程（reverseengineering）特性。

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。2.3.2ARM處理器系列

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：2.3.2ARM處理器系列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?？杉捎脩糇约旱陌踩匦院推渌麉f(xié)處理器。5.SecurCore微處理器系列5.SecurCore微處理器系列

SecurCore系列微處理器包含SecurCoreSC100、SecurCoreSC110、SecurCoreSC200和SecurCoreSC210四種類型，以適用于不同的應用場合。2.3.2ARM處理器系列6.StrongARM微處理器系列

1995年，ARM、Apple和DEC公司聯(lián)合聲明將開發(fā)一種應用于PDA的高性能、低功耗、基于ARM體系結構的StrongARM微處理器。

1998年Intel公司接管Digital半導體公司到現(xiàn)在，采用了同樣的技術，并且進一步考慮了功耗效率，設計了StrongARMSA－110，并成為高性能嵌入式微處理器設計的一個里程碑。2.3.2ARM處理器系列6.StrongARM微處理器系列

StrongARMSA-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Intel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。

IntelStrongARM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，已成功應用于康柏的iPAQH3600PocketPC、惠普的JonadaHandheldPC和Java技術支持的Palmtop掌上電腦等多種產(chǎn)品中。2.3.2ARM處理器系列

StrongARM的主要特點有：2.3.2ARM處理器系列具有寄存器前推的5級流水線；除了64位乘法、多寄存器傳送和存儲器/寄存器交換指令外，其他所有普通指令均是單周期指令；低功耗的偽靜態(tài)操作；不論處理器的時鐘頻率有多高，乘法器均以每周期計算12位、用1～3個時鐘周期計算兩個3位操作數(shù)的乘法；使用系統(tǒng)控制協(xié)處理器來管理片上MMU和Cache資源，并且集成了JTAG邊界掃描測試電路以支持印制板連接測試。6.StrongARM微處理器系列7.Xscale處理器

IntelXscale處理器基于ARMv5TE體系結構，是一款全性能、高性價比、低功耗的處理器。它提供了從手持互聯(lián)網(wǎng)設備到互聯(lián)網(wǎng)基礎設施產(chǎn)品的全面解決方案，支持16位的Thumb指令和DSP指令集?；赬scale技術開發(fā)的系列微處理器，由于超低功率與高性能的組合使其適用于廣泛的互聯(lián)網(wǎng)接入設備，在因特網(wǎng)的各個應用環(huán)節(jié)中表現(xiàn)出了令人滿意的處理性能。

IntelXscale微處理器結構對于諸如數(shù)字移動電話、個人數(shù)字助理和網(wǎng)絡產(chǎn)品等廣泛的市場都具有關鍵的優(yōu)點。2.3.2ARM處理器系列

Xscale處理器是Intel目前主要推廣的一款ARM微處理器，處理速度是StrongARM處理速度的2倍。2.3.2ARM處理器系列數(shù)據(jù)Cache的容量從8KB增加到32KB；指令Cache的容量從16KB增加到32KB；微小數(shù)據(jù)Cache的容量從512字節(jié)增加到2KB；為提高指令執(zhí)行速度，超級流水線結構由5級增至7級；新增乘法/加法器MAC和特定的DSP型協(xié)處理器CP0，以提高對多媒體技術的支持；動態(tài)電源管理，使時鐘頻率可達1GHz、功耗低至1.6W，并能達到1,200MIPS。7.Xscale處理器2.3ARM處理器基礎2.3.1ARM簡介

2.3.2ARM處理器系列2.3.3ARM處理器體系結構2.3.4ARM處理器應用選型

2.3.3ARM處理器體系結構

ARM體系結構的基本版本

ARM體系結構的演變

ARM/Thumb體系結構版本命名2.3ARM處理器基礎1.ARM體系結構的基本版本為了精確表述在每個ARM實現(xiàn)中所使用的指令集，迄今為止，將其定義了6種主要版本，分別用版本號1～6表示。2.3.2ARM處理器系列2.3.3ARM處理器體系結構

ARM體系結構版本v1對第一個ARM處理器進行描述，從未用于商用產(chǎn)品。

版本v1的地址空間是26位，僅支持26位尋址空間，不支持乘法或協(xié)處理器指令。基于該體系結構的ARM處理器應用在BBC微計算機中，雖然這種微型計算機制造得很少，但它標志著ARM成為第一個商用單片RISC微處理器。2.3.3ARM處理器體系結構

1.ARM體系結構的基本版本⑴版本v1

版本v1包括下列指令：2.3.3ARM處理器體系結構

基本的數(shù)據(jù)處理指令（不包括乘法指令）；基于字節(jié)、字和半字的加載/存儲（Load/Store）指令；分支（Branch）指令，包括分支與鏈接指令；軟件中斷指令（SWI），用于進行操作系統(tǒng)調(diào)用。1.ARM體系結構的基本版本⑴版本v1

版本v1現(xiàn)已廢棄不用。以ARMv2為核的Acorn公司的Archimedes和A3000批量銷售，它使用了版本v2的體系結構。

版本v2仍然只支持26位的地址空間，但包含了對32位結果的乘法指令和協(xié)處理器的支持。版本v2a是版本v2的變種，ARM3芯片是采用了版本v2a和第一片具有片上Cache的ARM處理器。2.3.3ARM處理器體系結構

1.ARM體系結構的基本版本⑵版本v2版本v2（2a）通過增加下列指令對體系結構版本v1進行了擴展，即：2.3.3ARM處理器體系結構

乘法和乘加指令；支持協(xié)處理器的指令；對于快速中斷（FIQ）模式，提供了2個以上的影子寄存器；

SWP指令和SWPB指令。1.ARM體系結構的基本版本⑵版本v2版本v2現(xiàn)已廢棄不用。

ARM作為獨立的公司，在1990年設計的第一個微處理器ARM6采用的是版本v3的體系結構。版本v3作為IP核、獨立的處理器（ARM60）、具有片上高速緩存、MMU核寫緩沖的集成CPU（用于AppleNewton的ARM600、ARM610）所采納的體系結構而被大量銷售。版本v3的變種版本有版本v3G和版本v3M。2.3.3ARM處理器體系結構

1.ARM體系結構的基本版本⑶版本v3版本v3較以前的版本發(fā)生了如下的變化：2.3.3ARM處理器體系結構

地址空間擴展到32位；分開的當前程序狀態(tài)寄存器CPSR和程序狀態(tài)寄存器SPSR；增加了兩種異常模式；增加了2個指令（MRS和MSR；修改了過去用于從異常（exception）返回的指令的功能。1.ARM體系結構的基本版本⑶版本v3

體系結構版本v4是第一個具有全部正式定義的體系結構版本，它增加了有符號、無符號半字和有符號字節(jié)的加載/存儲指令，并為結構定義的操作預留一些SWI空間；引入了系統(tǒng)模式，并將幾個未使用指令空間的角落作為未定義指令使用。在體系結構版本4的變種版本4T中，引入了16位Thumb壓縮形式的指令集。2.3.3ARM處理器體系結構

1.ARM體系結構的基本版本⑷版本v4與版本v3相比，版本4增加了下列指令：2.3.3ARM處理器體系結構

有符號、無符號的半字和有符號字節(jié)的Load和Store指令；增加了T變種；增加了處理器的特權模式。1.ARM體系結構的基本版本⑷版本v4版本v4不再強制要求與26位地址空間兼容，而且還清楚的指明了哪些指令將會引起未定義指令異常。

體系結構版本v5通過增加一些指令以及對現(xiàn)有指令的定義略作修改，對版本v4進行了擴展。版本v5主要由兩個變種版本v5T和v5TE組成。

ARM10處理器是最早支持版本v5T（很快也會支持v5TE版本）的處理器。2.3.3ARM處理器體系結構

1.ARM體系結構的基本版本⑸版本v5版本v5T是體系結構版本4T的擴展集，加入了BLX、CLZ和BRK指令。為了簡化那些同時需要控制器和信號處理功能的系統(tǒng)設計任務，版本v5TE在體系結構版本v5T的基礎上增加了信號處理指令集，并首先在ARM9E-S可綜合核中實現(xiàn)。2.3.3ARM處理器體系結構

1.ARM體系結構的基本版本⑸版本v5版本v5主要有如下擴展：2.3.3ARM處理器體系結構

提高了T變種中ARM/Thumb之間切換的效率；讓非T變種和T變種一樣，使用相同的代碼生成技術；增加了一個計數(shù)前導零（CountLeadingZeroes，CLZ）指令，該指令允許更有效的整數(shù)除法和中斷優(yōu)先程序；增加了軟件斷點(BKPT)指令；為協(xié)處理器設計提供了更多的可選則的指令；對由乘法指令如何設置條件碼標志位進行了嚴密的定義。1.ARM體系結構的基本版本⑸版本v5

ARM體系結構版本v6是2001年發(fā)布的。新架構版本v6在降低耗電量的同時，強化了圖形處理性能。通過追加了能夠有效進行多媒體處理的SIMD功能，將其對語音及圖像的處理功能提供到原機型的4倍。版本v6首先在2002年春季發(fā)布的ARM11處理器中使用。除此之外，版本v6還支持多種微處理器內(nèi)核。2.3.3ARM處理器體系結構

1.ARM體系結構的基本版本⑹版本v6ARM體系結構更新2.3.3ARM處理器體系結構

ARM體系結構的基本版本

ARM體系結構的演變

ARM/Thumb體系結構版本命名2.3ARM處理器基礎

Thumb指令集是ARM指令集的重編碼子集。

Thumb指令（16位）是ARM指令（32位）的一半長，因此使得Thumb指令集可得到比ARM指令集更高的代碼密度，這對于降低產(chǎn)品成本是非常有意義的。對于支持Thumb指令的ARM體系版本，一般通過增加字符T來表示（如v4T）。2.3.3ARM處理器體系結構

2.ARM體系結構的演變

⑴Thumb指令集（T變種）

ARM指令集的長乘法指令是一種生成64位相乘結果的乘法指令。與乘法指令相比，M變種增加了以下兩條指令：2.3.3ARM處理器體系結構

2.ARM體系結構的演變⑵長乘法指令（M變種）一條指令完成32位整數(shù)乘以32位整數(shù)，生成64位整數(shù)的長乘操作（即32×32→64）；另一條指令完成32位整數(shù)乘以32位整數(shù)，然后再加上一個32位整數(shù)，生成64位整數(shù)的長乘加操作（即32×32＋32→64）。需要這種長乘法的場合M變種非常適合。但是，M變種包含的指令意味著乘法器須相當大，因此，在對芯片尺寸要求苛刻而乘法性能不太重要的系統(tǒng)實現(xiàn)中，就不適合添加這種相當耗費芯片面積的M變種。

M變種首先在ARM體系版本v3中引入。對于支持長乘法ARM指令的ARM體系版本，使用字符M來表示。2.3.3ARM處理器體系結構

2.ARM體系結構的演變⑵長乘法指令（M變種）

ARM指令集的E變種包括一些附加指令。在完成典型的DSP算法方面，這些附件指令可以增強ARM處理器的性能。它們包括：2.3.3ARM處理器體系結構

2.ARM體系結構的演變

⑶增強型DSP指令（E變種）幾條新的完成16位數(shù)據(jù)乘法和乘加操作的指令。實現(xiàn)飽和的帶符號算術運算的加法和減法指令。進行雙字數(shù)據(jù)操作的指令，包括加載寄存器指令LDRD、存儲寄存器指令STRD和協(xié)處理器寄存器傳送指令MCRR與MRRC。

Cache預加載指令PLD。

E變種首先在ARM體系版本v5T中使用，用字符E表示。在版本v5以前的版本以及在非M變種和非T變種的版本中，E變種是無效的。對于一些早期ARM體系的E變種中，其實現(xiàn)省略了LDRD、STRD、MCRR、MRRC和PLD指令。這種E變種記作ExP，其中x表示缺少，P代表上述的幾種指令。2.3.3ARM處理器體系結構

2.ARM體系結構的演變

⑶增強型DSP指令（E變種）

ARM的Jazelle技術將Java語言的優(yōu)勢和先進的32位RISC芯片完美的結合在一起。

Jazelle技術提供了Java加速功能，使得Java代碼的運行速度比普通Java虛擬機提高了8倍，而功耗降低了80％。2.3.3ARM處理器體系結構

2.ARM體系結構的演變⑷Java加速器Jazelle（J變種）

Jazelle技術使得程序員可以在一個單獨的處理器上同時允許Java應用程序、已經(jīng)建立好的操作系統(tǒng)和中間件以及其他應用程序。這樣使得一些必須用到協(xié)處理器和雙處理器的場合可以使用單處理器代替，在提供高性能的同時保證低功耗和低成本。

J變種首先在ARM體系版本vTEJ中使用，用字符J表示。2.3.3ARM處理器體系結構

2.ARM體系結構的演變⑷Java加速器Jazelle（J變種）

ARM媒體功能擴展SIMD技術為嵌入式應用系統(tǒng)提供了高性能的音頻和視頻處理能力，它可使微處理器的音頻和視頻處理性能提高4倍。

ARM的SIMD媒體功能擴展為這些應用系統(tǒng)提供了解決方案，它為包括音頻和視頻處理在內(nèi)的應用系統(tǒng)提供了優(yōu)化功能。2.3.3ARM處理器體系結構

2.ARM體系結構的演變⑸ARM媒體功能擴展（SIMD變種）其主要特點包括：2.3.3ARM處理器體系結構

2.ARM體系結構的演變

⑸ARM媒體功能擴展（SIMD變種）將處理器的音頻和視頻處理性能提高了2～4倍；可同時進行2個16位操作數(shù)