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ARM微處理器概述

本章簡介ARM微處理器的一些基本概念、應用領域及特點,引導讀者進入ARM技術的殿堂。
本章主要內容:
ARM及相關技術簡介
ARM微處理器的應用領域及特點
ARM微處理器系列
ARM微處理器的體系結構
ARM微處理器的應用選型
1.1 ARM-Advanced RISC Machines
ARM(Advanced RISC Machines),既可以認為是一個公司的名字,也可以認為是對一類微處理器的通稱,還可以認為是一種技術的名字。
1991年ARM公司成立于英國劍橋,主要出售芯片設計技術的授權。目前,采用ARM技術知識產權(IP)核的微處理器,即我們通常所說的ARM微處理器,已遍及工業控制、消費類電子產品、通信系統、網絡系統、無線系統等各類產品市場,基于ARM技術的微處理器應用約占據了32位RISC微處理器75%以上的市場份額,ARM技術正在逐步滲入到我們生活的各個方面。
ARM公司是專門從事基于RISC技術芯片設計開發的公司,作為知識產權供應商,本身不直接從事芯片生產,靠轉讓設計許可由合作公司生產各具特色的芯片,世界各大半導體生產商從ARM公司購買其設計的ARM微處理器核,根據各自不同的應用領域,加入適當的外圍電路,從而形成自己的ARM微處理器芯片進入市場。目前,全世界有幾十家大的半導體公司都使用ARM公司的授權,因此既使得ARM技術獲得更多的第三方工具、制造、軟件的支持,又使整個系統成本降低,使產品更容易進入市場被消費者所接受,更具有競爭力。
1.2 ARM微處理器的應用領域及特點
1.2.1 ARM微處理器的應用領域
到目前為止,ARM微處理器及技術的應用幾乎已經深入到各個領域:
1、工業控制領域:作為32的RISC架構,基于ARM核的微控制器芯片不但占據了高端微控制器市場的大部分市場份額,同時也逐漸向低端微控制器應用領域擴展,ARM微控制器的低功耗、高性價比,向傳統的8位/16位微控制器提出了挑戰。
2、無線通訊領域:目前已有超過85%的無線通訊設備采用了ARM技術, ARM以其高性能和低成本,在該領域的地位日益鞏固。
3、網絡應用:隨著寬帶技術的推廣,采用ARM技術的ADSL芯片正逐步獲得競爭優勢。此外,ARM在語音及視頻處理上行了優化,并獲得廣泛支持,也對DSP的應用領域提出了挑戰。
4、消費類電子產品:ARM技術在目前流行的數字音頻播放器、數字機頂盒和游戲機中得到廣泛采用。
5、成像和安全產品:現在流行的數碼相機和打印機中絕大部分采用ARM技術。手機中的32位SIM智能卡也采用了ARM技術。
除此以外,ARM微處理器及技術還應用到許多不同的領域,并會在將來取得更加廣泛的應用。
1.2.2 ARM微處理器的特點
采用RISC架構的ARM微處理器一般具有如下特點:
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,指令執行速度更快;
4、大多數數據操作都在寄存器中完成;
5、尋址方式靈活簡單,執行效率高;
6、指令長度固定;
1.3 ARM微處理器系列
ARM微處理器目前包括下面幾個系列,以及其它廠商基于ARM體系結構的處理器,除了具有ARM體系結構的共同特點以外,每一個系列的ARM微處理器都有各自的特點和應用領域。
- 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為4個通用處理器系列,每一個系列提供一套相對獨特的性能來滿足不同應用領域的需求。SecurCore系列專門為安全要求較高的應用而設計。
以下我們來詳細了解一下各種處理器的特點及應用領域。
1.3.1 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微處理器系列具有如下特點:
- 具有嵌入式ICE-RT邏輯,調試開發方便。
- 極低的功耗,適合對功耗要求較高的應用,如便攜式產品。
- 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。
- 對操作系統的支持廣泛,包括Windows CE、Linux、Palm OS等。
- 指令系統與ARM9系列、ARM9E系列和ARM10E系列兼容,便于用戶的產品升級換代。
- 主頻最高可達130MIPS,高速的運算處理能力能勝任絕大多數的復雜應用。
ARM7系列微處理器的主要應用領域為:工業控制、Internet設備、網絡和調制解調器設備、移動電話等多種多媒體和嵌入式應用。
ARM7系列微處理器包括如下幾種類型的核: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:內嵌硬件乘法器(Multiplier)
I: 嵌入式ICE,支持片上斷點和調試點;
本書所介紹的Samsung公司的S3C4510B即屬于該系列的處理器。
1.3.2 ARM9微處理器系列
ARM9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:
- 5級整數流水線,指令執行效率更高。
- 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Windows CE、Linux、Palm OS等多種主流嵌入式操作系統。
- MPU支持實時操作系統。
- 支持數據Cache和指令Cache,具有更高的指令和數據處理能力。
ARM9系列微處理器主要應用于無線設備、儀器儀表、安全系統、機頂盒、高端打印機、數字照相機和數字攝像機等。
ARM9系列微處理器包含ARM920T、ARM922T和ARM940T三種類型,以適用于不同的應用場合。
1.3.3 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核提供了微控制器、DSP、Java應用系統的解決方案,極大的減少了芯片的面積和系統的復雜程度。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系列微處理器的主要特點如下:
- 支持DSP指令集,適合于需要高速數字信號處理的場合。
- 5級整數流水線,指令執行效率更高。
- 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。
- MPU支持實時操作系統。
- 支持數據Cache和指令Cache,具有更高的指令和數據處理能力。
- 主頻最高可達300MIPS。
ARM9系列微處理器主要應用于下一代無線設備、數字消費品、成像設備、工業控制、存儲設備和網絡設備等領域。
ARM9E系列微處理器包含ARM926EJ-S、ARM946E-S和ARM966E-S三種類型,以適用于不同的應用場合。
1.3.4 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,由于采用了新的體系結構,與同等的ARM9器件相比較,在同樣的時鐘頻率下,性能提高了近50%,同時,ARM10E系列微處理器采用了兩種先進的節能方式,使其功耗極低。
ARM10E系列微處理器的主要特點如下:

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