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ARM微处理器概述

本章简介ARM微处理器的一些基本概念、应用领域及特点,引导读者进入ARM技术的殿堂。
本章主要内容:
ARM及相关技术简介
ARM微处理器的应用领域及特点
ARM微处理器系列
ARM微处理器的体系结构
ARM微处理器的应用选型
1.1 ARM-Advanced RISC Machines
ARM(Advanced RISC Machines),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,即我们通常所说的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75%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公司购买其设计的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被消费者所接受,更具有竞争力。
1.2 ARM微处理器的应用领域及特点
1.2.1 ARM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行了优化,并获得广泛支持,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,并会在将来取得更加广泛的应用。
1.2.2 ARM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位/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;
1.3 ARM微处理器系列
ARM微处理器目前包括下面几个系列,以及其它厂商基于ARM体系结构的处理器,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。
- 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应用领域。
1.3.1 ARM7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较高的消费类应用。ARM7微处理器系列具有如下特点:
- 具有嵌入式ICE-RT逻辑,调试开发方便。
- 极低的功耗,适合对功耗要求较高的应用,如便携式产品。
- 能够提供0.9MIPS/MHz的三级流水线结构。
- 代码密度高并兼容16位的Thumb指令集。
- 对操作系统的支持广泛,包括Windows CE、Linux、Palm OS等。
- 指令系统与ARM9系列、ARM9E系列和ARM10E系列兼容,便于用户的产品升级换代。
- 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为压缩指令集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;
本书所介绍的Samsung公司的S3C4510B即属于该系列的处理器。
1.3.2 ARM9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:
- 5级整数流水线,指令执行效率更高。
- 提供1.1MIPS/MHz的哈佛结构。
- 支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。
- 支持32位的高速AMBA总线接口。
- 全性能的MMU,支持Windows CE、Linux、Palm OS等多种主流嵌入式操作系统。
- MPU支持实时操作系统。
- 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。
ARM9系列微处理器包含ARM920T、ARM922T和ARM940T三种类型,以适用于不同的应用场合。
1.3.3 ARM9E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,极大的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:
- 支持DSP指令集,适合于需要高速数字信号处理的场合。
- 5级整数流水线,指令执行效率更高。
- 支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。
- 支持32位的高速AMBA总线接口。
- 支持VFP9浮点处理协处理器。
- 全性能的MMU,支持Windows CE、Linux、Palm OS等多种主流嵌入式操作系统。
- MPU支持实时操作系统。
- 支持数据Cache和指令Cache,具有更高的指令和数据处理能力。
- 主频最高可达300MIPS。
ARM9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。
ARM9E系列微处理器包含ARM926EJ-S、ARM946E-S和ARM966E-S三种类型,以适用于不同的应用场合。
1.3.4 ARM10E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: