[ARM9嵌入式系统硬件设计指南]ARM简介

【ARM9嵌入式系统硬件设计指南】ARM简介

ARM公司是一家知识产权（IP）供应商，它与一般的半导体公司最大的不同就是不制造芯片且不向终端用户出售芯片。而是通过转让设计方案，由合作伙伴生产出各具特色的芯片。本章为您讲述RISC结构特性和常用ARM处理器。 ZLG致远电子十余年的嵌入式硬件设计秘笈首度公开！《ARM9嵌入式系统硬件设计指南》配套划时代精品EasyARM-i.MX283A 开发平台同期发布，深入剖析ARM9 硬件设计的每一个毛孔，助您完成前所未有的技术飞跃！

1.3 ARM简介

ARM公司是一家知识产权（IP）供应商，它与一般的半导体公司最大的不同就是不制造芯片且不向终端用户出售芯片。而是通过转让设计方案，由合作伙伴生产出各具特色的芯片。ARM公司利用这种双赢的伙伴关系迅速成为了全球性RISC微处理器标准的缔造者。这种模式也给用户带来巨大的好处，因为用户只需掌握了一种ARM内核结构及其开发手段，就能够使用多家公司相同ARM内核的芯片。

目前，总共有超过100家公司与ARM公司签订了技术使用许可协议，其中包括Intel、IBM、LG、NEC、Freescale、NXP（原PHILIPS）和NS这样的大公司。至于软件系统的合伙人，则包括微软、升阳和MRI等一系列知名公司。

ARM架构是ARM公司面向市场设计的第一款低成本RISC微处理器，它具有极高的性价比和代码密度以及出色的实时中断响应和极低的功耗，并且占用硅片的面积极少，从而使它成为嵌入式系统的理想选择，因此应用范围非常广泛，比如手机、PDA、MP3/MP4和种类繁多的便携式消费产品中。2004年ARM公司的合作伙伴生产了12亿片ARM处理器。

1.3.1 RISC结构特性

ARM内核采用精简指令集计算机（RISC）体系结构，它是一个小门数的计算机，其指令集和相关的译码机制比复杂指令集计算机（CISC）要简单得多，其目标就是设计出一套能在高时钟频率下单周期执行，简单而有效地的指令集。RISC的设计重点在于降低处理器中指令执行部件的硬件复杂度，这是因为软件比硬件更容易提供更大的灵活性和更高的智能化，因此ARM具备了非常典型的RISC结构特性：

具有大量的通用寄存器； 通过装载/保存（load-store）结构使用独立的load和store指令完成数据在寄存器和外部存储器之间的传送，处理器只处理寄存器中的数据，从而可以避免多次访问存储器；

寻址方式非常简单，所有装载/保存的地址都只由寄存器内容和指令域决定； 使用统一和固定长度的指令格式。 此外，ARM体系结构还提供： 每一条数据处理指令都可以同时包含算术逻辑单元（ALU）的运算和移位处理，以实现对ALU和移位器的最大利用；

使用地址自动增加和自动减少的寻址方式优化程序中的循环处理； load/store指令可以批量传输数据，从而实现了最大数据吞吐量； 大多数ARM指令是可“条件执行”的，也就是说只有当某个特定条件满足时指令才会被执行。通过使用条件执行，可以减少指令的数目，从而改善程序的执行效率和提高代码密度。 这些在基本RISC结构上增强的特性使ARM处理器在高性能、低代码规模、低功耗和小的硅片尺寸方面取得良好的平衡。

从1985年ARM1诞生至今，ARM指令集体系结构发生了巨大的改变，还在不断地完善和发展。为了清楚地表达每个ARM应用实例所使用的指令集，ARM公司定义了7种主要的ARM指令集体系结构版本，以版本号V1~V7表示。

1.3.2 常用ARM处理器

ARM公司开发了很多系列的ARM处理器核，应用比较多的是ARM7系列、ARM9系列、ARM10系列、ARM11系列、Cortex-A8系列、Cortex-A9系列，还有针对低端8位MCU市场最新推出的Cortex-M3系列，其具有32位CPU的性能、8位MCU的价格。

1. Cortex-M3处理器

ARM Cortex-M3处理器是一个面向低成本，小管脚数目以及低功耗应用，并且具有极高运算能力和中断响应能力的一个处理器内核。其问世于2006年，第一个推向市场的是美国LuminaryMicro半导体公司的LM3S系列ARM。

CortexTM-M3处理器采用了纯Thumb2指令的执行方式，使得这个具有32位高性能的ARM内核能够实现8位和16位处理器级数的代码存储密度，非常适用于那些只需几K存储器的MCU市场。在增强代码密度的同时，该处理器内核是ARM所设计的内核中最小的一个，其核心的门数只有33K，在包含了必要的外设之后的门数也只为60K。这使它的封装更为小型，成本更加低廉。在实现这些的同时，它还提供性能优异的中断能力，通过其独特的寄存器管理并以硬件处理各种异常和中断的方式，最大程度的提高了中断响应和中断切换的速度。 与相近价位的ARM7核相比，CortexTM-M3采用了先进的ARMv7架构，具有带分支预测功能的3级流水线，以NMI的方式取代了FIQ/IRQ的中断处理方式，其中断延迟最大只需12个周期（ARM7为24～42个周期），带睡眠模式，8段MPU（存储器保护单元），同时具有1.25MIPS/MHz的性能（ARM7为0.9MIPS/MHz），而且其功耗仅为0.19mW/MHz (ARM7为0.28mW/MHz)，目前最便宜的基于Cortex－M3内核的ARM单片机售价为1美元，由此可见Cortex－M3系列是冲击低成本市场的利器，但性能比8位单片机更高。

2. Cortex-R4处理

Cortex-R4处理器是首款基于ARM v7架构的高级嵌入式处理器，其目标主要为产量巨大的高级嵌入式应用方案，如硬盘，喷墨式打印机，以及汽车安全系统等等。

Cortex-R4处理器在节省成本与功耗上为开发者们带来了关键性的突破，在与其他处理器相近的芯片面积上提供了更为优越的性能。Cortex-R4为整合期间的可配置能力提供了真正的支持，通过这种能力，开发者可让处理器更加完美的符合应用方案的具体要求。

Cortex-R4采用了90纳米生产工艺，最高运行频率可达400MHz，该内核整体设计的侧重点在于效率和可配置性。

ARM Cortex-R4处理器拥有复杂完善的流水线架构，该架构基于低耗费的超量（双行）8段流水线，同时带有高级分支预测功能，从而实现了超过1.6 MIPS/MHz的运算速度。该处理器全面遵循ARMv7架构，同时还包含了更高代码密度的Thumb-2技术、硬件划分指令、经过优化的一级高速缓存和TCM（紧密耦合存储器），存储器保护单元，动态分支预测，64位的AXI主机端口，AXI从机端口，VIC端口等多种创新的技术和强大的功能。

3. Cortex-R4F处理器

Cortex-R4F处理器在Cortex-R4处理器的基础上加入了代码错误校正（ECC）技术、浮点运算单元（FPU）以及DMA综合配置的能力，增强了处理器在存储器保护单元，缓存，紧密耦合存储器，DMA访问以及调试方面的能力。

4. Cortex-A8处理器

Cortex-A8是ARM公司所开发的基于ARMv7架构的首款应用级处理器，同时也是ARM所开发的同类处理器中性能最好、能效最高的处理器。从600MHz开始到1GHz以上的运算能力使Cortex-A8能够轻易胜任那些要求功耗小于300mW的、耗电量最优化的移动电话器件；以及那些要求有2000 MIPS执行速度的、性能最优化的消费者产品的应用。Cortex-A8是ARM公司首个超量处理器，其特色是运用了可增加代码密度和加强性能的技术、可支持多媒体以及信号处理能力的NEON技术、以及能够支持JAVA和其他文字代码语言（byte-code language）的提前和即时编译的Jazelle RCT（Run-time Compilation Target 运行时编译目标代码）技术。

ARM最新的Artisan Advantage-CE库以其先进的泄漏控制技术使Cortex-A8处理器实现了优异的速度和能效。

Cortex-A8具有多种先进的功能特性，它是一个有序、双行、超标量的处理器内核，具有13级整数运算流水线，10级NEON媒体运算流水线，可对等待状态进行编程的专用的2级缓存，以及基于历史的全局分支预测；在功耗最优化的同时，实现了2.00MIPS/MHz的性能。它完全兼容ARMv7架构，采用Thumb2指令集，带有为媒体数据处理优化的NEON信号处理能力，Jazelle RC JAVA加速技术，并采用了TrustZong技术来保障数据的安全性。它带有经过优化的1级缓存，还集成了2级缓存。众多先进的技术使其适用于家电以及电子行业等各种高端的应用领域。

5. ARM7系列

ARM7TDMI是ARM公司1995年推出的第一个处理器内核，是目前用量最多的一个内核。ARM7系列包括ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、带有高速缓存处理器宏单元的ARM720T和扩充了Jazelle的ARM7EJ-S。该系列处理器提供Thumb 16位压缩指令集和EmbeddedICE JTAG软件调试方式，适合应用于更大规模的SoC设计中。其中ARM720T高速缓存处理宏单元还提供8KB缓存、读缓冲和具有内存管理功能的高性能处理器，支持Linux和Windows CE 等操作系统。

6. ARM9系列

ARM9系列于1997年问世，ARM9系列有ARM9TDMI、ARM920T和带有高速缓存处理器宏单元的ARM940T。所有的ARM9系列处理器都具有Thumb压缩指令集和基于EmbeddedICE JTAG 的软件调试方式。ARM9系列兼容ARM7系列，而且能够比ARM7进行更加灵活的设计。

ARM926EJ-S发布于2000年，ARM9E系列为综合处理器，包括ARM926EJ-S和带有高速缓存处理器宏单元的ARM966E-S、ARM946E-S。该系列强化了数字信号处理（DSP）功能，可应用于需要DSP与微控制器结合使用的情况，将Thumb技术和DSP都扩展到ARM指令集中，并具有EmbeddedICE-RT逻辑（ARM的基于EmbeddedICE JTAG软件调试的增强版本），更好地适应了实时系统的开发需要。同时其内核在ARM9处理器内核的基础上使用了Jazelle增强技术，该技术支持一种新的Java操作状态，允许在硬件中执行Java字节码。

7. ARM10系列

ARM10发布于1999年，ARM10系列包括ARM1020E和ARM1022E微处理器核。其核心在于使用向量浮点（VFP）单元VFP10提供高性能的浮点解决方案，从而极大提高了处理器的整型和浮点运算性能，为用户界面的2D和3D图形引擎应用夯实基础，如视频游戏机和高性能打印机等。

8. ARM11系列

ARM1136J-S发布于2003年，是针对高性能和高能效的应用而设计的。ARM1136J-S是第一个执行ARMv6架构指令的处理器，它集成了一条具有独立的load-store和算术流水线的8级流水线。ARMv6指令包含了针对媒体处理的单指令多数据流（SIMD）扩展，采用特殊的设计以改善视频处理性能。

ARM1136JF-S就是为了进行快速浮点运算，而在ARM1136J-S增加了向量浮点单元。

9. Xscale

Xscale处理器将Intel处理器技术和ARM体系结构融为一体，致力于为手提式通信和消费电子类设备提供理想的解决方案。并提供全性能、高性价比、低功耗的解决方案，支持16位Thumb指令和集成数字信号处理（DSP）指令。