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文檔簡介

一、ARM概述ARM是什么?AdvancedRISCMachines一個公司的名字——英國知識產(chǎn)權(quán)核(IP)設計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微處理器的應用領(lǐng)域及特點ARM處理器市場覆蓋率最高、發(fā)展趨勢廣闊基于ARM技術(shù)的32位微處理器,市場的占有率目前已達到80%。絕大多數(shù)IC制造商都推出了自己的ARM結(jié)構(gòu)芯片。我國的中興集成電路、大唐電訊、中芯國際和上海華虹,以及國外的一些公司如德州儀器、意法半導體、Philips、Intel、Samsung等都推出了自己設計的基于ARM核的處理器。應用一: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的大部分市場份額,同時也逐漸向低端微控制器應用領(lǐng)域擴展,ARM微控制器的低功耗、高性價比,向傳統(tǒng)的8位/16位微控制器提出了挑戰(zhàn)。應用二:無線通訊領(lǐng)域目前已有超過85%的無線通訊設備采用了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。應用三:網(wǎng)絡設備隨著寬帶技術(shù)的推廣,采用ARM技術(shù)的ADSL芯片正逐步獲得競爭優(yōu)勢。此外,ARM在語音及視頻處理上進行了優(yōu)化,并獲得廣泛支持,也對DSP的應用領(lǐng)域提出了挑戰(zhàn)。應用四:消費類電子產(chǎn)品ARM技術(shù)在目前流行的數(shù)字音頻播放器、數(shù)字機頂盒和游戲機中得到廣泛采用。應用五:成像和安全產(chǎn)品現(xiàn)在流行的數(shù)碼相機和打印機中絕大部分采用ARM技術(shù)。手機中的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: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、尋址方式靈活簡單,執(zhí)行效率高;6、指令長度固定;幾個重要概念: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(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1)數(shù)據(jù)與指令都存儲在同一存儲區(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)計算機所采用3)ARM7——馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)簡單,但速度較慢。取指不能同時取數(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器指令0指令1指令2數(shù)據(jù)存儲器數(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1)程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器分開.2)提供了較大的存儲器帶寬,各自有自己的總線。3)適合于數(shù)字信號處理.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)在同一周期進行,提高速度,

改進哈佛體系結(jié)構(gòu)分成三個存儲區(qū):程序、數(shù)據(jù)、程序和數(shù)據(jù)共用。CISC:復雜指令集(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行。CISCCPU包含有豐富的單元電路,因而功能強、面積大、功耗大。RISC:精簡指令集(ReducedInstructionSetComputer)在通道中只包含最有用的指令,只提供簡單的操作。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器之間的傳送。使CPU硬件結(jié)構(gòu)設計變得更為簡單,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。(訪存費時,處理和存儲分開,可以反復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,以響應調(diào)試請求M支持長乘法32位乘32位得到64位,32位的乘加得到64位IEmbeddedICE提供片上斷點和調(diào)試點EDSP指令增加了DSP算法處理器指令:16位乘加指令,飽和的帶符號數(shù)的加減法,雙字數(shù)據(jù)操作,cache預取指令JJava加速器Jazelle提高java代碼的運行速度S可綜合提供VHDL或Verilog語言設計文件

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V1版進行了擴展,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)是目前應用最廣的ARM體系結(jié)構(gòu),對V3版架構(gòu)進行了進一步擴充,有的還引進了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、無符號的半字和有符號字節(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指令計數(shù)前導零CLZ指令BKPT軟件斷點指令增加了信號處理指令為協(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備增加了

SIMD功能擴展,提高了嵌入式應用系統(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)存管理流水線級別ThumbDSPJazelle浮點運算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v4T中的Thumb的擴展ARM芯片選擇的一般原則從應用的角度,對在選擇ARM芯片時所應考慮的主要因素有:(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)時間,就需要選擇ARM720T以上帶有MMU功能的ARM芯片.(2)系統(tǒng)時鐘控制器

系統(tǒng)時鐘決定了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)主時鐘為20MHz-133MHz,ARM9的處理速度為1.1MIPS/MHz,常見的ARM9的系統(tǒng)主時鐘為100MHz-233MHz,ARM10最高可以達到700MHz(3)內(nèi)部存儲器容量

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

在某些芯片供應商提供的說明書中,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、串口線等引腳復用的。這樣在系統(tǒng)設計時需要計算實際可以使用的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)和標準中斷(IRQ)兩個中斷向量。但各個半導體廠家在設計芯片時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,合理的外部中斷設計可以很大程度的減少任務調(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。在設計PDA和手持式顯示記錄設備時,選用內(nèi)置LCD控制器的ARM芯片較為適宜。(8)擴展總線

大部分ARM芯片具有外部SDRAM和SRAM擴展接口,不同的ARM芯片可以擴展的芯片數(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。某些特殊應用的ARM芯片如德國Micronas的PUC3

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