ARM體系結(jié)構(gòu)與編程：第1章 ARM處理器概述

1、第一章 ARM處理器概述ARM處理器概述目標(biāo)學(xué)員：嵌入式初級(jí)開發(fā)者課程時(shí)長(zhǎng)：1學(xué)時(shí)，45分鐘本章目錄1324嵌入式處理器簡(jiǎn)介 ARM公司發(fā)展史 ARM體系結(jié)構(gòu)的命名規(guī)則 ARM系列處理器 5ARM 微處理器的應(yīng)用領(lǐng)域及特點(diǎn) 課程目標(biāo)與重點(diǎn)難點(diǎn) ARM系列處理器的發(fā)展歷程 理解嵌入式處理器概念；了解ARM系列處理器發(fā)展史及各自的特點(diǎn)；掌握ARM處理器的特點(diǎn)； ARM系列處理器各自的特點(diǎn) 課程目錄1324嵌入式處理器簡(jiǎn)介 ARM公司發(fā)展史 ARM體系結(jié)構(gòu)的命名規(guī)則 ARM系列處理器 5ARM 微處理器的應(yīng)用領(lǐng)域及特點(diǎn) 1.1 嵌入式處理器簡(jiǎn)介根據(jù)IEEE（國(guó)際電氣和電子工程師協(xié)會(huì)）的定義：嵌入式系

2、統(tǒng):是“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機(jī)器和設(shè)備的裝置”（原文為devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。嵌入式處理器的定義:是嵌入式系統(tǒng)的核心，是控制、輔助系統(tǒng)運(yùn)行的硬件單元。范圍極其廣闊，從最初的位處理器，目前仍在大規(guī)模應(yīng)用的8位單片機(jī)，到最新的受到廣泛青睞的32位，64位嵌入式CPU。注: 可以看出此定義是從應(yīng)用上考慮的，嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體 ，還可以涵蓋機(jī)電等附屬裝置嵌入式微處理器分類嵌入式微處理器1 嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器。嵌

3、入式微處理器一般具備以下4個(gè)特點(diǎn): 對(duì)實(shí)時(shí)多任務(wù)有很強(qiáng)的支持能力，能完成多任務(wù)并且有較 短的中斷響應(yīng)時(shí)間，從而使內(nèi)部的代碼和實(shí)時(shí)內(nèi)核的執(zhí)行時(shí)間減少到最低限度。嵌入式微處理器必須功耗很低，尤其是用于便攜式的無線及移動(dòng)的計(jì)算和通信設(shè)備中靠電池供電的嵌入式系統(tǒng)更是如此，如需要功耗只有mW甚至W級(jí)。可擴(kuò)展的處理器結(jié)構(gòu)，以能最迅速地開發(fā)出滿足應(yīng)用的最高性能的嵌入式微處理器。具有功能很強(qiáng)的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能。這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)已模塊化，而為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯(cuò)誤的交叉作用，需要設(shè)計(jì)強(qiáng)大的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能，同時(shí)也有利于軟件診斷。 和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠

4、性高的優(yōu)點(diǎn)。目前主要的嵌入式處理器類型有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM/StrongARM、ARM9、ARM11、CortexA8系列等嵌入式微處理器2嵌入式微控制器(MCU) 和嵌入式微處理器相比，微控制器的最大特點(diǎn)是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。微控制器的片上外設(shè)資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱微控制器。 嵌入式微控制器的典型代表是單片機(jī)，這種位的電子器件目前在嵌入式設(shè)備中仍然有著極其廣泛的應(yīng)用。單片機(jī)芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時(shí)/計(jì)

5、數(shù)器、看門狗、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各種必要功能和外設(shè)。嵌入式DSP處理器 DSP處理器是專門用于信號(hào)處理方面的處理器，其在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令算法方面進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，具有很高的編譯效率和指令的執(zhí)行速度。在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等各種儀器上DSP獲得了大規(guī)模的應(yīng)用。 DSP的理論算法在70年代就已經(jīng)出現(xiàn)，但是由于專門的DSP處理器還未出現(xiàn)，所以這種理論算法只能通過MPU等由分立元件實(shí)現(xiàn)。1982年世界上誕生了首枚DSP芯片。在語(yǔ)音合成和編碼解碼器中得到了廣泛應(yīng)用。DSP的運(yùn)算速度進(jìn)一步提高，應(yīng)用領(lǐng)域也從上述范圍擴(kuò)大到了通信和計(jì)算機(jī)方面。目前

6、最為廣泛應(yīng)用的嵌入式DSP處理器是TI的TMS320C2000/ C5000系列，另外如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的應(yīng)用范圍。典型代表:TI的TMS320C2000/C5000系列,DM系列SoC片上系統(tǒng)SoC 就是System on Chip ，SoC嵌入式系統(tǒng)微處理器就是一種電路系統(tǒng)。它結(jié)合了許多功能區(qū)塊，將功能做在一個(gè)芯片上，像是ARM RISC、MIPS RISC、DSP或是其他的微處理器核心，加上通信的接口單元，像是通用串行端口（USB）、TCP/IP通信單元、GPRS通信接口、GSM通信接口、IEEE1394、藍(lán)牙模塊接口等等，這些單元以往都

7、是依照各單元的功能做成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的處理芯片。SOC最大的特點(diǎn)是成功實(shí)現(xiàn)了軟硬件無縫結(jié)合，直接在處理器片內(nèi)嵌入操作系統(tǒng)的代碼模塊。 嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的軟件主要有三種操作系統(tǒng)： 多道批量處理操作系統(tǒng)，實(shí)時(shí)系統(tǒng)和分時(shí)系統(tǒng)。其中實(shí)時(shí)系統(tǒng)又分為兩類：硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)和軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)。 嵌入式系統(tǒng)越來越追求數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。因此原來在某些設(shè)備或領(lǐng)域中占主導(dǎo)地位的軟件系統(tǒng)越來越難以為繼，整個(gè)系統(tǒng)必須是開放的、提供標(biāo)準(zhǔn)的API，并且能夠方便地與眾多第三方的軟硬件溝通。Linux是開放源碼的，不存在黑箱技術(shù)，遍布全球的眾多Linux愛好者又是Linux開發(fā)的強(qiáng)大技術(shù)后盾。Linux的內(nèi)核小、功能強(qiáng)大、運(yùn)行穩(wěn)定、

8、系統(tǒng)健壯、效率高，易于定制剪裁，在價(jià)格上極具競(jìng)爭(zhēng)力。Linux不僅支持x86 CPU，還可以支持其他數(shù)十種CPU芯片。嵌入式處理器評(píng)價(jià)指標(biāo) 功耗：為減小功耗，嵌入式微處理器設(shè)計(jì)了的三種運(yùn)行模式。代碼存儲(chǔ)密度：RISC指令集計(jì)算機(jī)由于要求指令編碼長(zhǎng)度固定，往往需要更多的指令來完成，從而增加了代碼長(zhǎng)度。集成度：嵌入式微處理器一般都為專用市場(chǎng)設(shè)計(jì)的，需要較高的集成度。多媒體加速：在傳統(tǒng)的微處理器指令集的基礎(chǔ)上增加JPEG和MPEG解壓縮的離散余弦變換指令。 本環(huán)節(jié)主要學(xué)習(xí)嵌入式處理器的概念，及嵌入式處理器的分類，針對(duì)嵌入式系統(tǒng)的核心嵌入式微處理器的特點(diǎn)及應(yīng)用價(jià)值做了詳細(xì)介紹。最后通過功耗、代碼存儲(chǔ)密

9、度、多媒體加速等指標(biāo)對(duì)嵌入式處理器的性能方面進(jìn)行參考評(píng)價(jià)。 課程目錄1324嵌入式處理器簡(jiǎn)介 ARM的定義 ARM體系結(jié)構(gòu)的命名規(guī)則 ARM系列處理器 5ARM 微處理器的應(yīng)用領(lǐng)域及特點(diǎn) ARM的概念 ARM（Advanced RISC Machines）：是一種32位微處理器體系結(jié)構(gòu)。ARM不是單片機(jī)，準(zhǔn)確來講ARM是一種處理器的IP核： ARM 公司是專門從事基于RISC技術(shù)的芯片設(shè)計(jì)開發(fā)的公司。ARM公司發(fā)跡史 1ARM公司最初成立于1981年，Acorn電腦公司（Acorn Computers Limited）于1983年開始的發(fā)展計(jì)劃的團(tuán)隊(duì)由Roger Wilson和Steve Fu

10、rber帶領(lǐng)，最初與英國(guó)廣播公司合作為英國(guó)教育界設(shè)計(jì)小型機(jī)，著手開發(fā)一種新架構(gòu)第一款芯片ARM1在1985年被設(shè)計(jì)出來，次年又設(shè)計(jì)出真正實(shí)用的ARM2處理器，ARM2是具有32位數(shù)據(jù)總線和24位地址總線，并帶有16個(gè)寄存器，可以說是當(dāng)時(shí)最簡(jiǎn)化的32位微處理器，他們?cè)O(shè)計(jì)的芯片也采用RISC體系結(jié)構(gòu)，并命名為“Acorn RISC Machine”。 Acorn電腦公司基于1990年的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)另組成一家名為Advanced RISC Machines Ltd.的新公司。此后Advanced RISC Machine公司成為ARM公司的注冊(cè)商標(biāo) 1993 年德州儀器和Cirrus Logic 亦簽署

11、了授權(quán)協(xié)議從此ARM 的知識(shí)產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品和授權(quán)用戶都急劇擴(kuò)大。1993 年Nippon Investment and Finance (NIF) 成為ARM 股東后，ARM 開始向全球拓展，分別在亞洲美國(guó)和歐洲設(shè)立了辦事處。1998 年4月ARM 在倫敦證券交易所和納斯達(dá)克交易所上市。1991 年ARM 推出首個(gè)嵌入式RISC 核心ARM6 系列處理器后不久VLSI 率先獲得授權(quán)一年后夏普和GEC Plessey 也成為授權(quán)用戶。 ARM公司發(fā)跡史 2ARM 現(xiàn)已發(fā)展成為一家全球性大公司，在3 大洲8 個(gè)國(guó)家設(shè)有分支機(jī)構(gòu)，雇員超過720 人。公司在英國(guó)布萊克本、劍橋和舍菲爾德法國(guó)Sophia An

12、tipolis 以及美國(guó)加州Walnut Creek 和德州奧斯丁設(shè)有研發(fā)中心，并在法國(guó)、德國(guó)、日本、韓國(guó)、中國(guó)臺(tái)灣、以色列英國(guó)和美國(guó)建立了銷售、行政和技術(shù)支持辦事處。ARM 中國(guó)于在2002 年7 月在中國(guó)上海成立分公司。本環(huán)節(jié)主要學(xué)習(xí)ARM的概念，及ARM做為一種處理器的IP核在應(yīng)用方面的優(yōu)勢(shì)，并對(duì)ARM公司的成長(zhǎng)歷程做了詳細(xì)闡述。 課程目錄1324嵌入式處理器簡(jiǎn)介 ARM公司發(fā)展史 ARM體系結(jié)構(gòu)的命名規(guī)則 ARM系列處理器 5ARM 微處理器的應(yīng)用領(lǐng)域及特點(diǎn) ARM體系結(jié)構(gòu)的命名規(guī)則 ARM產(chǎn)品通常以ARM【x】【y】【z】【T】【D】【M】【I】【E】【J】【F】【S】形式出現(xiàn)。后綴

13、變量含義x系列。如arm7、arm9y存儲(chǔ)管理/保護(hù)單元zCacheTThumb16位譯碼器DJTAG調(diào)試器M快速乘法器I嵌入式跟蹤宏單元E增強(qiáng)指令（基于TDMI）JJazelle加速F向量浮點(diǎn)單元S可綜合版本 ARM的命名規(guī)則 課程目錄1324嵌入式處理器簡(jiǎn)介 ARM公司發(fā)展史 ARM體系結(jié)構(gòu)的命名規(guī)則 ARM系列處理器 5ARM 微處理器的應(yīng)用領(lǐng)域及特點(diǎn) ARM系列處理器ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、ARM11和SecurCore，其中ARM11為最近推出的產(chǎn)品。進(jìn)一步產(chǎn)品來自于合作伙伴，例如三星的S3C6410和TI公司的OMP3530等CPU。ARM處理器當(dāng)前有6個(gè)產(chǎn)品

14、系列：ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10是4個(gè)通用處理器系列。每個(gè)系列提供一 套特定的性能來滿足設(shè)計(jì)者對(duì)功耗、性能、體積的需求。SecurCore是第5個(gè)產(chǎn)品系列，是專門為安全設(shè)備而設(shè)計(jì)的。 ARM7內(nèi)核是馮諾伊曼體系結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)和指令使用同一條總線。內(nèi)核有一條3級(jí)流行線。ARM7系列 ARM7系列處理器具有下面一些主要特點(diǎn):成熟的大批量的32位RICS芯片最高主頻到達(dá)130Mhz功耗低代碼密度高，兼容16位微處理器開發(fā)工具多、EDA仿真模型多調(diào)試機(jī)制完善提供0.25m、0.18m及0.13m的生產(chǎn)工藝 ARM9采用了5級(jí)指令流水線，ARM9處理器能夠運(yùn)行在比ARM7更高的時(shí)鐘頻率上，改

15、善了處理器的整體性能 。 ARM9系列 ARM9系列:ARM9系列的第一個(gè)處理器是ARM920T，包含獨(dú)立的數(shù)據(jù)指令Cache和MMU ARM922T是ARM920T的變種，只有一半大小的數(shù)據(jù)指令CacheARM9E系列:ARM9系列的下一個(gè)處理器是基于ARM9ES內(nèi)核的。這個(gè)內(nèi)核是ARM9內(nèi)核帶有E擴(kuò)展的一個(gè)可綜合版本。它有2個(gè)變種：ARM946ES和ARM966ES。ARM9系列的最新內(nèi)核是ARM926EJ-S可綜合的處理器內(nèi)核，發(fā)布于2000年。它是針對(duì)小型便攜式Java設(shè)備，諸如3G手機(jī)和PDA應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。ARM10/11系列 ARM10系列 :發(fā)布于1999年，具有高性能、低功耗的

16、特定。它所采用的新的體系使其在所有ARM產(chǎn)品中具有最高的MIPS/MHz。它占有針對(duì)高性能設(shè)計(jì)，將ARM9的流水線擴(kuò)展到6級(jí) 。ARM10E系列包括ARM1020E、ARM1022E和ARM1026EJS 3種類型。ARM11系列 :ARM1136J-S發(fā)布于2003年，是針對(duì)高性能和高能效應(yīng)而設(shè)計(jì)的。是第一個(gè)執(zhí)行ARMv6架構(gòu)指令的處理器。它集成了一條具有獨(dú)立的Load/Stroe和算術(shù)流水線的8級(jí)流水線。ARMv6指令包含了針對(duì)媒體處理的單指令流多數(shù)據(jù)流擴(kuò)展，才用特殊的設(shè)計(jì)，以改善視頻處理能力。ARM SecurCore/Cortex-A8系列 SecurCore系列 :SecurCore

17、系列處理器提供了基于高性能的32位RISC技術(shù)的安全解決方案。SecurCore系列處理器除了具有體積小、功耗低、代碼密度高等特點(diǎn)外，還具有它自己特別優(yōu)勢(shì)，即提供了安全解決方案支持。 。SecurCore系列包含SecurCore SC100、SecurCore SC110、SecurCore SC200和SecurCore SC2104種類型。ARMCortex-A8系列 :ARM推出了ARM Cortex-A8處理器是第一款基于ARMv7架構(gòu)的應(yīng)用處理器，并且是有史以來ARM開發(fā)的性能最高、最具功率效率的處理器。 Cortex-A8處理器是ARM的第一款超標(biāo)量處理器，具有提高代碼密度和性能

18、的技術(shù)，用于多媒體和信號(hào)處理的NEON技術(shù)，以及用于高效地支持預(yù)編譯和即時(shí)編譯Java及其他字節(jié)碼語(yǔ)言的Jazelle運(yùn)行時(shí)間編譯目標(biāo)（RCT）技術(shù)。 本環(huán)節(jié)主要學(xué)習(xí)ARM處理器的6個(gè)產(chǎn)品系列：ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、ARM11和SecurCore，及每個(gè)系列產(chǎn)品所具有的在功耗、性能、體積等方面的性能。ARM7內(nèi)核是馮諾伊曼體系結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)和指令使用同一條總線，內(nèi)核有一條3級(jí)流行線。ARM9系列采用了5級(jí)指令流水線，ARM9處理器比ARM7具有更高的時(shí)鐘頻率，存儲(chǔ)器系統(tǒng)根據(jù)哈佛體系結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)，區(qū)分了數(shù)據(jù)和指令總線。ARM11在針對(duì)媒體處理的單指令流多數(shù)據(jù)流進(jìn)行了擴(kuò)展，才用特殊的設(shè)計(jì)，以改善視頻處理能力。ARM推出了ARM Cortex-A8處理器是第一款基于ARMv7架構(gòu)的應(yīng)用處理器，Cortex-