ARM芯片選擇的一般原則

一、ARM概述ARM是什么？AdvancedRISCMachines一個(gè)公司的名字——英國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)核（IP）設(shè)計(jì)公司一類微處理器的通稱一種技術(shù)的名字（ARM微處理器核）

ARM微處理器的應(yīng)用領(lǐng)域及特點(diǎn)ARM處理器市場(chǎng)覆蓋率最高、發(fā)展趨勢(shì)廣闊基于ARM技術(shù)的32位微處理器，市場(chǎng)的占有率目前已達(dá)到80%。絕大多數(shù)IC制造商都推出了自己的ARM結(jié)構(gòu)芯片。我國(guó)的中興集成電路、大唐電訊、中芯國(guó)際和上海華虹，以及國(guó)外的一些公司如德州儀器、意法半導(dǎo)體、Philips、Intel、Samsung等都推出了自己設(shè)計(jì)的基于ARM核的處理器。應(yīng)用一：工業(yè)控制領(lǐng)域作為32的RISC架構(gòu)，基于ARM核的微控制器芯片不但占據(jù)了高端微控制器市場(chǎng)的大部分市場(chǎng)份額，同時(shí)也逐漸向低端微控制器應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展，ARM微控制器的低功耗、高性價(jià)比，向傳統(tǒng)的8位/16位微控制器提出了挑戰(zhàn)。應(yīng)用二：無線通訊領(lǐng)域目前已有超過85%的無線通訊設(shè)備采用了ARM技術(shù)，ARM以其高性能和低成本，在該領(lǐng)域的地位日益鞏固。應(yīng)用三：網(wǎng)絡(luò)設(shè)備隨著寬帶技術(shù)的推廣，采用ARM技術(shù)的ADSL芯片正逐步獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。此外，ARM在語音及視頻處理上進(jìn)行了優(yōu)化，并獲得廣泛支持，也對(duì)DSP的應(yīng)用領(lǐng)域提出了挑戰(zhàn)。應(yīng)用四：消費(fèi)類電子產(chǎn)品ARM技術(shù)在目前流行的數(shù)字音頻播放器、數(shù)字機(jī)頂盒和游戲機(jī)中得到廣泛采用。應(yīng)用五：成像和安全產(chǎn)品現(xiàn)在流行的數(shù)碼相機(jī)和打印機(jī)中絕大部分采用ARM技術(shù)。手機(jī)中的32位SIM智能卡也采用了ARM技術(shù)。ARM處理器的使用量ARM處理器的特點(diǎn):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(zhí)行速度更快；4、大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成；5、尋址方式靈活簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高；6、指令長(zhǎng)度固定；幾個(gè)重要概念：馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)模型

指令寄存器控制器數(shù)據(jù)通道輸入輸出中央處理器存儲(chǔ)器程序指令0指令1指令2指令3指令4數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)0數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2總線指令的執(zhí)行周期T1）取指令（InstructionFetch)：TF2）指令譯碼（InstructionDecode）：TD3）執(zhí)行指令（InstructionExecute）：TE4）存儲(chǔ)（Storage）：TS每條指令的執(zhí)行周期：T=TF+TD+TE+TS馮·諾依曼體系的特點(diǎn)1）數(shù)據(jù)與指令都存儲(chǔ)在同一存儲(chǔ)區(qū)中，取指令與取數(shù)據(jù)利用同一數(shù)據(jù)總線。2）被早期大多數(shù)計(jì)算機(jī)所采用3）ARM7——馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但速度較慢。取指不能同時(shí)取數(shù)據(jù)哈佛體系結(jié)構(gòu)模型

指令寄存器控制器數(shù)據(jù)通道輸入輸出中央處理器程序存儲(chǔ)器指令0指令1指令2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)0數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2總線總線哈佛體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)1）程序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開.2）提供了較大的存儲(chǔ)器帶寬，各自有自己的總線。3）適合于數(shù)字信號(hào)處理.4）大多數(shù)DSP都是哈佛結(jié)構(gòu).5）ARM9是哈佛結(jié)構(gòu)6）取指和取數(shù)在同一周期進(jìn)行，提高速度，

改進(jìn)哈佛體系結(jié)構(gòu)分成三個(gè)存儲(chǔ)區(qū)：程序、數(shù)據(jù)、程序和數(shù)據(jù)共用。CISC：復(fù)雜指令集（ComplexInstructionSetComputer）具有大量的指令和尋址方式8/2原則：80%的程序只使用20%的指令大多數(shù)程序只使用少量的指令就能夠運(yùn)行。CISCCPU包含有豐富的單元電路，因而功能強(qiáng)、面積大、功耗大。RISC：精簡(jiǎn)指令集（ReducedInstructionSetComputer)在通道中只包含最有用的指令,只提供簡(jiǎn)單的操作。確保數(shù)據(jù)通道快速執(zhí)行每一條指令Load-store結(jié)構(gòu)——

處理器只處理寄存器中的數(shù)據(jù)，load-store指令用來完成數(shù)據(jù)在寄存器和外部存儲(chǔ)器之間的傳送。使CPU硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變得更為簡(jiǎn)單，RISCCPU包含較少的單元電路，因而面積小、功耗低主要差別：寄存器RISC指令集擁有更多的通用寄存器，每個(gè)可以存放數(shù)據(jù)和地址，寄存器為所有的數(shù)據(jù)操作提供快速的存儲(chǔ)訪問。CISC指令集多用于特定目的的專用寄存器。LOAD–STORE結(jié)構(gòu)RISC結(jié)構(gòu)

Cpu

僅處理寄存器中的數(shù)據(jù)，采用獨(dú)立的、專用的LOAD–STORE指令來完成數(shù)據(jù)在寄存器和外存之間的傳送。（訪存費(fèi)時(shí)，處理和存儲(chǔ)分開，可以反復(fù)的使用保存在寄存器中的數(shù)據(jù)，而避免多次訪問外存）。CISC結(jié)構(gòu)能直接處理存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)。二、ARM體系結(jié)構(gòu)ARM系列產(chǎn)品表示ARM926EJ-SFamilynumber7:ARM79:ARM910:ARM1011:ARM11Memorysystem

2:Cache,MMU,ProcessID4:Cache,MPU6:Writebuffer,nocacheMemorysize0:Cachesize(4-128KB)2:Reducedcachesize6:TCMSynthesizableExtensions

E:DSPextensionJ:Jazelleextension

T:Thumbsupport…標(biāo)志含義說明T支持Thumb指令集Thumb指令集版本1：ARMv4TThumb指令集版本2：ARMv5TThumb-2：ARMv6TD片上調(diào)試使處理器能夠停止，以響應(yīng)調(diào)試請(qǐng)求M支持長(zhǎng)乘法32位乘32位得到64位，32位的乘加得到64位IEmbeddedICE提供片上斷點(diǎn)和調(diào)試點(diǎn)EDSP指令增加了DSP算法處理器指令：16位乘加指令，飽和的帶符號(hào)數(shù)的加減法，雙字?jǐn)?shù)據(jù)操作，cache預(yù)取指令JJava加速器Jazelle提高java代碼的運(yùn)行速度S可綜合提供VHDL或Verilog語言設(shè)計(jì)文件

ARM處理器的分類基于指令集體系結(jié)構(gòu)的分類v1，v2，v5，v5TEJ，v6等基于處理器內(nèi)核的分類ARM7，ARM9，ARM10，ARM11，StrongARM，XScale等ARM體系結(jié)構(gòu)版本

ARM架構(gòu)自誕生至今,已經(jīng)發(fā)生了很大的演變,至今已定義的版本有：

V1版架構(gòu)

V2版架構(gòu)

V3版架構(gòu)

V4版架構(gòu)

V5版架構(gòu)

V6版架構(gòu)V1版架構(gòu)該版架構(gòu)只在原型機(jī)ARM1出現(xiàn)過,其基本性能：基本的數(shù)據(jù)處理指令(無乘法)字節(jié)、半字和字的LOAD/STORE指令轉(zhuǎn)移指令，包括子程序調(diào)用及鏈接指令軟件中斷指令尋址空間：64M字節(jié)(26)V2版架構(gòu)該版架構(gòu)對(duì)V1版進(jìn)行了擴(kuò)展,如ARM2架構(gòu),增加了以下功能：乘法和乘加指令支持協(xié)處理器操作指令快速中斷模式SWP/SWPB基本存儲(chǔ)器與寄存器交換指令尋址空間：64M字節(jié)V3版架構(gòu)把尋址空間增至32位(4G字節(jié)),增加了當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器CPSR和程序狀態(tài)保存寄存器SPSR以便于異常的處理。增加了中止和未定義二種處理器模式。ARM6就采用該版架構(gòu)。指令集變化如下：增加了MRS/MSR指令,以訪問新增的CPSR/SPSR寄存器增加了從異常處理返回的指令功能。V4版架構(gòu)

V4版架構(gòu)是目前應(yīng)用最廣的ARM體系結(jié)構(gòu),對(duì)V3版架構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步擴(kuò)充,有的還引進(jìn)了16位的Thumb指令集,使ARM使用更加靈活。ARM7、ARM8、ARM9和StrongARM都采用該版架構(gòu)。指令集中增加了以下功能：有符號(hào)、無符號(hào)的半字和有符號(hào)字節(jié)的Load/Store指令。增加了16位Thumb指令集完善了軟件中斷SWI指令的功能增加了處理器的特權(quán)模式。V5版架構(gòu)這是最近幾年推出ARM架構(gòu),在V4版基本上增加了一些新的指令,ARM10和XScale都采用該版架構(gòu),這些新增指令有：帶有鏈接和交換的轉(zhuǎn)移BLX指令計(jì)數(shù)前導(dǎo)零CLZ指令BKPT軟件斷點(diǎn)指令增加了信號(hào)處理指令為協(xié)處理器增加更多可選擇的指令v6版架構(gòu)2001年發(fā)布的適合使用電池供電的便攜式設(shè)備增加了

SIMD功能擴(kuò)展，提高了嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的音頻、視頻處理能力。首先在2002年發(fā)布的ARM11處理器中使用ARM處理器內(nèi)核系列：ARM7FamilyUnifiedCache內(nèi)存管理流水線級(jí)別ThumbDSPJazelleARM7TDMI無無3有無無ARM7TDMI-S無無3有無無ARM710T/720T8kMMU3有無無ARM740T8k或4kProtectionUnit3有無無ARM7EJ-S無無3有有有ARM9FamilyCache內(nèi)存管理流水線級(jí)別ThumbDSPJazelleARM9TDMI無無5有無無ARM920T16K/16kMMU5有無無ARM922T8k/8kMMU5有無無ARM940T4k/4kProtectionUnit5有無無ARM10FamilyARM10EJ-S無無6有有有ARM1026EJ-S0,4-128k/0,4-128kMMU6有有有Cache內(nèi)存管理流水線級(jí)別ThumbDSPJazelleARM10E無無6有有無ARM1020E32k/32kMMU6有有無ARM1022E16k/16kMMU6有有無ARM10TDMI無無6有無無ARM1020T32k/32kMMU6有無無ARM11FamilyCache內(nèi)存管理流水線級(jí)別ThumbDSPJazelle浮點(diǎn)運(yùn)算ARM1136J-S4-64kMMU8有有有無ARM1136JF-S4-64kMMU8有有有有ARM1156T2-S可配置9Thumb-2有無無ARM1156T2F-S可配置9Thumb-2有無有指令集體系結(jié)構(gòu)（ISA）ThumbDSPJazelleMediaTrustZoneThumb-2v4StrongARMv4T*ARM7T,ARM9v5T*ARM10T，XScalev5TE**ARM9E,ARM10Ev5TEJ***ARM7EJ,ARM9EJ,ARM10EJv6****ARM1136J(F)-Sv6Z*****v6T2*****ARM1156T2(F)-S注：v5T支持的Thumb是對(duì)v4T中的Thumb的擴(kuò)展ARM芯片選擇的一般原則從應(yīng)用的角度，對(duì)在選擇ARM芯片時(shí)所應(yīng)考慮的主要因素有：(1)ARM芯核

如果希望使用WinCE或Linux等操作系統(tǒng)以減少軟件開發(fā)時(shí)間，就需要選擇ARM720T以上帶有MMU功能的ARM芯片.(2)系統(tǒng)時(shí)鐘控制器

系統(tǒng)時(shí)鐘決定了ARM芯片的處理速度。ARM7的處理速度為0.9MIPS/MHz,常見的ARM7芯片系統(tǒng)主時(shí)鐘為20MHz-133MHz,ARM9的處理速度為1.1MIPS/MHz,常見的ARM9的系統(tǒng)主時(shí)鐘為100MHz-233MHz,ARM10最高可以達(dá)到700MHz(3)內(nèi)部存儲(chǔ)器容量

在不需要大容量存儲(chǔ)器時(shí)，可以考慮選用有內(nèi)置存儲(chǔ)器的ARM芯片。(4)GPIO數(shù)量

在某些芯片供應(yīng)商提供的說明書中，往往申明的是最大可能的GPIO數(shù)量，但是有許多引腳是和地址線、數(shù)據(jù)線、串口線等引腳復(fù)用的。這樣在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要計(jì)算實(shí)際可以使用的GPIO數(shù)量。P307-表6.26(5)USB接口

許多ARM芯片內(nèi)置有USB控制器，有些芯片甚至同時(shí)有USBHost和USBSlave控制器。(6)中斷控制器

ARM內(nèi)核只提供快速中斷(FIQ)和標(biāo)準(zhǔn)中斷(IRQ)兩個(gè)中斷向量。但各個(gè)半導(dǎo)體廠家在設(shè)計(jì)芯片時(shí)加入了自己不同的中斷控制器，以便支持諸如串行口、外部中斷、時(shí)鐘中斷等硬件中斷。外部中斷控制是選擇芯片必須考慮的重要因素，合理的外部中斷設(shè)計(jì)可以很大程度的減少任務(wù)調(diào)度的工作量。(7)LCD控制器

有些ARM芯片內(nèi)置LCD控制器，有的甚至內(nèi)置64K彩色TFTLCD控制器。在設(shè)計(jì)PDA和手持式顯示記錄設(shè)備時(shí)，選用內(nèi)置LCD控制器的ARM芯片較為適宜。(8)擴(kuò)展總線

大部分ARM芯片具有外部SDRAM和SRAM擴(kuò)展接口，不同的ARM芯片可以擴(kuò)展的芯片數(shù)量即片選線數(shù)量不同，外部數(shù)據(jù)總線有8位、16位或32位。某些特殊應(yīng)用的ARM芯片如德國(guó)Micronas的PUC3