ARM_Processor

1、ARM微微处处理器介紹理器介紹1ARMARM微处理器概述微处理器概述nARMARM（Advanced RISC MachinesAdvanced RISC Machines）q是一个公司的名字，也是一类微处理器的通称。是一个公司的名字，也是一类微处理器的通称。n19911991年年ARMARM公司成立于英国剑桥公司成立于英国剑桥q主要出售芯片设计技术的授权。主要出售芯片设计技术的授权。q目前采用目前采用ARMARM技术知识产权（技术知识产权（IPIP）核的微处理器，即我们通）核的微处理器，即我们通常所说的常所说的ARMARM微处理器。微处理器。nARMARM现在已遍及现在已遍及q工业控制工业控

2、制q消费类电子产品消费类电子产品q通信网络系统通信网络系统nARMARM的微处理器应用约占的微处理器应用约占q3232位位RISCRISC微处理器微处理器75%75%以上的市场比例以上的市场比例nARMARM系统架构系统架构q自诞生至今，已定义了自诞生至今，已定义了6 6种不同的版本种不同的版本2ARM微处理器特点微处理器特点n一般一般ARMARM微处理器具有如下特点：微处理器具有如下特点：n体积小、低功耗、低成本、高性能。体积小、低功耗、低成本、高性能。n支持支持ThumbThumb（1616位）位）/ARM/ARM（3232位）双指令集，位）双指令集，能很好的兼容能很好的兼容8 8位位/1

3、6/16位器件。位器件。n大量使用缓存器，指令执行速度更快。大量使用缓存器，指令执行速度更快。n大多数数据操作都在缓存器中完成。大多数数据操作都在缓存器中完成。n寻址方式灵活简单，执行效率高。寻址方式灵活简单，执行效率高。n指令长度固定。指令长度固定。3ARM 6/7核心核心(Core)架构架构n核心核心特色特色q3 stage 管线管线(pipeline)q32 bit ALU and 缓存器缓存器4ARM系统总线系统总线(Bus)架构架构-AMBAnAMBA(Advanced Microcontroller Bus Architecture)qAHB(Advanced High-perfo

4、rmance Bus) : high speed busqASB(Advanced System Bus ) : tristate busqAPB(Advanced Peripheral Bus) : Low speed busqBridge : connect two bus systemqMaster : Initiate the request qSlave : Respond the requestqArbiter : Decide which Master to use the busqDecoder : Address decode for the SlaveARM coreSla

5、veDeviceMasterDeviceBridgeAHB DecoderUARTtimerAHB or ASBAPBAHB Arbiter5ARM系统架构系统架构-v1版架构版架构q该架构只在原型机该架构只在原型机ARM1出现过，具基本性能：出现过，具基本性能：q基本的数据处理指令（无乘法）；基本的数据处理指令（无乘法）；q字节、半字和字的字节、半字和字的Load/Store指令；指令；q转移指令，包括子程序调用及链接指令；转移指令，包括子程序调用及链接指令；q软件中断指令；软件中断指令；q寻址空间：寻址空间：64MB(226)。6ARM系统架构系统架构-2 v2版架构版架构q该版架构对该版

6、架构对v1v1版进行了扩展，如版进行了扩展，如ARM2ARM2与与ARM3(v2aARM3(v2a版版) )架构，增加了以下功能：架构，增加了以下功能：q乘法和乘加指令；乘法和乘加指令；q支持协处理器操作指令；支持协处理器操作指令；q快速中断模式；快速中断模式；qSWP/SWPBSWP/SWPB的最基本内存与缓存器交换指令；的最基本内存与缓存器交换指令；q寻址空间：寻址空间：64MB64MB7ARM系统架构系统架构-v3版架构版架构q该版对该版对ARMARM体系结构作了较大的改动，把寻址空间体系结构作了较大的改动，把寻址空间增至增至3232位位(4GB)(4GB)，增加了当前程序状态缓存器，增

7、加了当前程序状态缓存器CPSRCPSR和程序状态保存缓存器和程序状态保存缓存器SPSRSPSR以便于异常处理。增加以便于异常处理。增加了中止和未定义了中止和未定义2 2种处理器模式。种处理器模式。ARM6ARM6就采用该版就采用该版结构。指令集变化如下：结构。指令集变化如下：q增加了增加了MRS/MSRMRS/MSR指令，以访问新增的指令，以访问新增的CPSR/SPSRCPSR/SPSR缓存缓存器；器；q增加了从异常处理返回的指令功能。增加了从异常处理返回的指令功能。8ARM系统架构系统架构-v4版架构版架构qV4V4版结构是目前最广泛应用的版结构是目前最广泛应用的ARMARM体系结构，对体系

8、结构，对v3v3版架构进行了进一步扩充，有的还引进了版架构进行了进一步扩充，有的还引进了1616位的位的ThumbThumb指令集，使指令集，使ARMARM使用更加灵活。使用更加灵活。ARM7ARM7、ARM9ARM9和和StrongARMStrongARM都采用了该版结构。其指令集都采用了该版结构。其指令集中增加了以下功能：中增加了以下功能：q符号化和非符号化半字及符号化字节的存符号化和非符号化半字及符号化字节的存/ /取指取指令；令；q增加了增加了1616位位ThumbThumb指令集；指令集；q完善了软件中断完善了软件中断SWISWI指令的功能；指令的功能；q处理器系统模式引进特权方式时

9、使用用户缓存处理器系统模式引进特权方式时使用用户缓存器操作；器操作；q把一些未使用的指令空间捕捉为未定义指令。把一些未使用的指令空间捕捉为未定义指令。9ARMARM系统架构系统架构-v5-v5版架构版架构n在在v4v4版基础上增加了一些新的指令。版基础上增加了一些新的指令。ARM10ARM10和和XScaleXScale都采用该版架构。这些新增指令有：都采用该版架构。这些新增指令有：n带有链接和交换的转移带有链接和交换的转移BLXBLX指令；指令；n计数前导零计数计数前导零计数CLZCLZ指令；指令；nBRKBRK中断指令；中断指令；n增加了信号处理指令（增加了信号处理指令（v5TEv5TE版

10、）；版）；n为协处理器增加更多可选择的指令。为协处理器增加更多可选择的指令。10ARM系统架构系统架构-v6版架构版架构qARMARM体系架构体系架构v6v6是是20012001年发布的。有以下基本特点：年发布的。有以下基本特点：q100%100%与以前的体系兼容；与以前的体系兼容；qSIMDSIMD媒体扩展，使媒体处理速度快媒体扩展，使媒体处理速度快1.751.75倍；倍；q改进了的内存管理，使系统性能提高改进了的内存管理，使系统性能提高30%30%；q改进了的混合端改进了的混合端( (EndianEndian) )与不对齐数据支持，使得与不对齐数据支持，使得小端系统支持大端数据（如小端系统

11、支持大端数据（如TCP/IPTCP/IP），许多），许多RTOSRTOS是是小端的；小端的；q为实时系统改进了中断响应时间，将最坏情况下的为实时系统改进了中断响应时间，将最坏情况下的3535周期改进到了周期改进到了1111个周期。个周期。q预计预计20042004年将推出年将推出v7v7版架构。版架构。11ARMARM微处理器系列微处理器系列n除了具有除了具有ARMARM架构的共同特点以外，每一个系列的架构的共同特点以外，每一个系列的ARMARM微处理器都有各自的特点和应用领域。微处理器都有各自的特点和应用领域。nARM7ARM7系列系列nARM9ARM9系列系列nARM9EARM9E系列系列

12、nARM10EARM10E系列系列nARM11EARM11E系列系列nIntelIntel的的XscaleXscalenIntelIntel的的StrongARMStrongARM12ARM7ARM7微处理器系列微处理器系列nARM7ARM7系列微处理器为低功耗的系列微处理器为低功耗的3232位位RISCRISC处处理器，最适合用于对价位和功耗要求较高理器，最适合用于对价位和功耗要求较高的消费类应用，的消费类应用，ARM7ARM7微处理器系列具有如微处理器系列具有如下特点：下特点：n具有嵌入式具有嵌入式ICEICERTRT逻辑，除错开发方便。逻辑，除错开发方便。n极低的功耗，适合对功耗要求较高

13、的应用，极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如携带型产品。如携带型产品。n能够提供能够提供0.9MIPS/MHz0.9MIPS/MHz的三级管线结构。的三级管线结构。n13n程序代码密度高并兼容程序代码密度高并兼容1616位的位的ThumbThumb指令集。指令集。n对操作系统的支持广泛，包括对操作系统的支持广泛，包括Windows CEWindows CE、LinuxLinux、Palm OSPalm OS等。等。n指令系统与指令系统与ARM9ARM9系列、系列、ARM9EARM9E系列和系列和ARM10EARM10E系列兼容，便于用户的产品升级换代。系列兼容，便于用户的产品升级换代。n主

14、频主频?14ARM7微处理器系列微处理器系列nARM7系列微处理器的主要应用领域为系列微处理器的主要应用领域为n工业控制、工业控制、Internet设备、网络和数据机设备、设备、网络和数据机设备、行动电话等多种多媒体和嵌入式应用。行动电话等多种多媒体和嵌入式应用。nARM7系列微处理器包括如下几种类型的核系列微处理器包括如下几种类型的核nARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ。其中，。其中，ARM7TMDI是目前使用最广是目前使用最广泛的泛的32位嵌入式位嵌入式RISC处理器，属低端处理器，属低端ARM处理处理器核。器核。15nTDMI的基本含义为：的基本含义为：

15、nT：支持：支持16为压缩指令集为压缩指令集Thumb。nD：支持片上：支持片上Debug。nM：内嵌硬件乘法器（：内嵌硬件乘法器（Multiplier）。）。nI：嵌入式：嵌入式ICE，支持片上断点和，支持片上断点和?谁谁 16ARM7系列结构功能特性的比较系列结构功能特性的比较EmbeddedICE-RTETM7 interfaceARM V4TARM7 coreThumb instruction setEmbeddedICE-RTETM7 interfaceARM V4TARM7 coreThumb instruction setEmbeddedICE-RTETM9 interfaceD

16、SPJazelleARM V5TEJThumb instruction setMMU8 KB cacheEmbeddedICE-RTETM7 interfaceARM V4TARM7 coreThumb instruction setAHB interfaceARM7TDMI V4 ARM7TDMI-S V4 ARM7EJ rev1TEJ ARM720T V4 Synthesizable Core Jazelle & DSP 开放平台的处理核心开放平台的处理核心 17ARM9ARM9微处理器系列微处理器系列nARM9ARM9系列微处理器在高性能和低功耗特性系列微处理器在高性能和低功耗特

17、性方面提供最佳的性能。方面提供最佳的性能。nARM9ARM9系列微处理器包含系列微处理器包含nARM920TARM920T、ARM922TARM922T和和ARM940TARM940T三种类型。三种类型。nARM9ARM9具有以下特点：具有以下特点：n5 5级整数管线，指令执行效率更高。级整数管线，指令执行效率更高。n提供提供1.1MIPS/MHz1.1MIPS/MHz的哈佛结构。的哈佛结构。18q支持支持32位位ARM指令集和指令集和16位位Thumb指令指令集。集。q支持支持32位的高速位的高速AMBA总线接口。总线接口。q全性能的全性能的MMU，支持，支持Windows CE、Linux

18、、Palm OS等多种主流嵌入式操作等多种主流嵌入式操作系统。系统。qMPU支持实时操作系统。支持实时操作系统。q支持数据支持数据Cache和指令和指令Cache，具有更高，具有更高的指令和数据处理能力。的指令和数据处理能力。19ARM 9系列结构系列结构ARM920T: ARM922T: ARM940T: 20ARM9系列结构功能特性的比较系列结构功能特性的比较MMUDual 8KB cacheEmbeddedICE-RTARM V4TARM9 coreThumb instruction setASB interfaceARM920T rev 1 ARM922T rev 1 ARM940T

19、rev 2开放平台处理核心开放平台处理核心 开放平台处理核心开放平台处理核心 嵌入式嵌入式RTOS核心核心 MMUDual 8KB cacheEmbeddedICE-RTARM V4TARM9 coreThumb instruction setAHB interface保護單元保護單元Dual 4KB cacheEmbeddedICE-RTARM V4TARM9 coreThumb instruction setASB interface21ARM9E系列结构系列结构nARM9E ARM9E 特色特色: :n高性能与低功耗特性方面的最佳硬件单元高性能与低功耗特性方面的最佳硬件单元nDSPDSP

20、扩充扩充nEmbeddedICEEmbeddedICE-RT -RT denugdenug Logic Logicn1.1 1.1 MipsMips/MHz, Five-stage pipeline/MHz, Five-stage pipelinenTightly Coupled Tightly Coupled Memory(TCMMemory(TCM) )n主要是应用在先进的引擎管理，仪表仪器，安主要是应用在先进的引擎管理，仪表仪器，安全系统，全系统，SetTopSetTop Box Box，PDAPDA，网络计算机，或，网络计算机，或是智能电话。是智能电话。22ARM 9E系列结构系列结构

21、23ARM9E系列结构功能特性的比较系列结构功能特性的比较TCM InterfaceEmbeddedICE-RTETM9 InterfaceARM v5TEARM9E coreThumb instruction setAHB interfaceARM966E-S rev 2 ARM946E-S rev 1 ARM926EJ-S rev 0ARM966E-S rev 2 ARM946E-S rev 1 ARM926EJ-S rev 0整合嵌入式核心整合嵌入式核心 整合嵌入式整合嵌入式RTOSRTOS核心核心 JazelleJazelle致能致能整合开放平台整合开放平台OSOS处理核心处理核心 保

22、護單元保護單元靈活的靈活的 cacheEmbeddedICE-RTDSP擴充擴充ETM9 InterfaceARM v5TEARM9E coreThumb instruction setAHB interfaceMMU靈活的靈活的 cacheTCM InterfaceEmbeddedICE-RTETM9 InterfaceDSP擴充擴充Jazelle擴充擴充ARM v5TEJARM9 coreThumb instruction set雙雙ASB interface24ARM10EARM10E微处理器系列微处理器系列nARM10EARM10E系列微处理器具有系列微处理器具有n高性能、低功耗的特点

23、，由于采用了新的架构，高性能、低功耗的特点，由于采用了新的架构，与同等的与同等的ARM9ARM9器件相比较，在同样的时钟频率器件相比较，在同样的时钟频率下，性能提高了近下，性能提高了近5050n同时，同时，ARM10EARM10E系列微处理器采用了两种先进的系列微处理器采用了两种先进的省电方式，使其功耗极低。省电方式，使其功耗极低。nARM10EARM10E系列微处理器的主要特点如下：系列微处理器的主要特点如下：n援援DSPDSP指令集，适合于需要高速数字信号处理指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合。的场合。25n6 6级整数管线，指令执行效率更高。级整数管线，指令执行效率更高。n援援32

24、32位位ARMARM指令集和指令集和1616位位ThumbThumb指令集。指令集。n援援3232位的高速位的高速AMBAAMBA总线接口。总线接口。n援援VFP10VFP10浮点处理协处理器。浮点处理协处理器。n全性能的全性能的MMUMMUn支援支援Wind?!Wind?!26ARM10E系列结构系列结构nARM10E Thumb Family400-700MIPS Low-Power System-on-Chip Processor Solutions:27ARM11E系列系列结构系列系列结构nPowerful ARMv6 instruction set architecture nLow

25、 power consumption q 0.4mW/MHz (0.13m, 1V) including cache controllers nHigh performance integer processor q8-stage integer pipeline delivers high clock frequency nHigh performance memory system design qSupports 4-64k cache sizes qARMv6 memory system architecture accelerates OS context-switchnVector

26、ed interrupt interfacenOptional Vector Floating Point coprocessor (ARM1136JF-S) qfor automotive/industrial controls and 3D graphics acceleration28ARM 11E系列结构系列结构nARM1136J-S and ARM1136JF-S29StrongARM微处理器系列微处理器系列nIntel Intel StrongARMStrongARM SA-1100 SA-1100处理器是采用处理器是采用ARMARM架架构高度整合的构高度整合的3232位位RISC

27、RISC微处理器。微处理器。n它融合了它融合了IntelIntel公司的设计和处理技术以及公司的设计和处理技术以及ARMARM架构的电源效率，采用在软件上兼容架构的电源效率，采用在软件上兼容ARMv4ARMv4架架构、同时采用具有构、同时采用具有IntelIntel技术优点的架构。技术优点的架构。30nIntel Intel StrongARMStrongARM处理器是携带型通讯产品和处理器是携带型通讯产品和消费类电子产品的理想选择，已成功应用于多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计算机系列产品。家公司的掌上计算机系列产品。niPAQiPAQ H3600 H3600 Pack

28、PCPackPCnHP HP JornadaJornada Handheld PC Handheld PCnPlamtopPlamtop31Xscale處理器處理器nXscaleXscale 处理器是基于处理器是基于ARMv5TEARMv5TE架构的解决架构的解决方案，是一款全性能、高成本效益比、低方案，是一款全性能、高成本效益比、低功耗的处理器。功耗的处理器。n它支持它支持1616位的位的ThumbThumb指令和指令和DSPDSP指令集，已指令集，已使用在数字行动电话、个人数字助理和网使用在数字行动电话、个人数字助理和网络产品等场合。络产品等场合。nXscaleXscale 处理器是处理器

29、是IntelIntel目前主要推广的一目前主要推广的一款款ARMARM微处理器。微处理器。32选择选择ARM微处理器的准则微处理器的准则n1) ARM1) ARM微处理器核心的选择微处理器核心的选择n如果希望使用如果希望使用WinCEWinCE或标准或标准LinuxLinux等操作系统以减等操作系统以减少软件开发时间，就需要选择少软件开发时间，就需要选择ARM720TARM720T以上带有以上带有MMUMMU（Memory Management UnitMemory Management Unit）功能的）功能的ARMARM芯片。芯片。nARM720TARM720T、ARM920TARM920

30、T、ARM922TARM922T、ARM946TARM946T、Strong-ARMStrong-ARM都带有都带有MMUMMU功能。功能。n而而ARM7TDMIARM7TDMI则没有则没有MMUMMU，不支持，不支持Windows CEWindows CE和标和标准准LinuxLinux，但目前有，但目前有uCLinuxuCLinux等不需要等不需要MMUMMU支持的操支持的操作系统可执行于作系统可执行于ARM7TDMIARM7TDMI硬件平台之上。硬件平台之上。33n2) 2) 系统的工作频率系统的工作频率n系统的工作频率在很大程度上决定了系统的工作频率在很大程度上决定了ARMARM微处理

31、器微处理器的处理能力。的处理能力。nARM7ARM7系列微处理器的典型处理速度为系列微处理器的典型处理速度为0.9MIPS/MHz0.9MIPS/MHz，常见的常见的ARM7ARM7芯片系统主时钟为芯片系统主时钟为20MHz-133MHz20MHz-133MHz。nARM9ARM9系列微处理器的典型处理速度为系列微处理器的典型处理速度为1.1MIPS/MHz1.1MIPS/MHz，常见的常见的ARM9ARM9的系统主频率频率为的系统主频率频率为100MHz-233MHz100MHz-233MHz，ARM10ARM10最高可以达到最高可以达到700MHz700MHz。34选择选择ARMARM微处

32、理器的准则微处理器的准则n3) ) 芯片内部存储器的容量芯片内部存储器的容量n大多数的大多数的ARMARM微处理器芯片内部存储器的容量都不微处理器芯片内部存储器的容量都不太大。太大。n如如ATMELATMEL的的AT91F40162AT91F40162就具有高达就具有高达2MB2MB的芯片内部的芯片内部程序存储空间。程序存储空间。n4) 4) 芯片内部外围电路的选择芯片内部外围电路的选择n我们称之为芯片内部外围电路，如我们称之为芯片内部外围电路，如USBUSB接口、接口、IISIIS接口、接口、LCDLCD控制器、键盘接口、控制器、键盘接口、RTCRTC、ADCADC和和DACDAC、DSPD

33、SP协处理器等，设计者应分析系统的需求，尽可协处理器等，设计者应分析系统的需求，尽可能采用芯片内部外围电路完成所需的功能，这样能采用芯片内部外围电路完成所需的功能，这样既可简化系统的设计，同时提高系统的可靠性。既可简化系统的设计，同时提高系统的可靠性。35选择选择ARM微处理器的准则微处理器的准则nARM Core ARM7 Family ARM720T ARM7EJ-S ARM7DI ARM7TDMI ARM7TDMI-S ARM9 Family ARM920T ARM922T ARM940T ARM9E Family ARM926EJ-S ARM946E ARM946E-S ARM966E-S nARM10 Family ARM1020E ARM1022E ARM1026EJ-S ARM11 Family ARM11 Family ASIC ASIC Other Cores SC100/SC200 Processors StrongARM Microprocessor XScale Microarchitecture 36ARMARM处理器的选择准则处理器的选择准则- -操作系统操作系统37ARM处理器的