第二章 ARM体系结构

2.2.2 ARM体系结构的特点
(5)、嵌入式在线仿真调试； ARM体系结构的处理器芯片都嵌入了在线仿真ICE-RT逻辑，便于通过 JTAG来仿真调试芯片，省去了价格昂贵的在线仿真器。
(6)、灵活方便的接口； ARM体系结构具有协处理器接口，允许接16个协处理器。既可以使基 本的ARM处理器内核尽可能小，方便地扩充ARM指令集，也可以通过未定 义指令来支持协处理器的软件仿真。
CISC与RISC的比较
2.2.2 ARM体系结构的特点
(2)、Thumb指令集； 虽然ARM处理器本身是32位设计， 但考虑到 RISC型处理器的指令功能相对较弱，新型的ARM 体系结构中定义了16位的Thumb指令集。 Thumb指令集比通常的8/16位CISC/RISC处理 器有更好的代码密度，而芯片面积只增加6%，却 可以使程序存储器更小。
ARM体系结构概述 2.2 ARM体系结构概述
2.2.1 ARM体系结构的总体思想
总体思想：在不牺牲性能的同时，尽量简化处理 器。同时从体系结构的层面上灵活支持处理器扩 展。这种简化和开放的思路使得ARM处理器采用 了很简单的结构来实现。 目前，ARM32位体系机构被公认为业界领先的32 位嵌入式RISC微处理器核，所有ARM处理器都共 享这一体系结构。
ARM7微处理器
ARM7采用冯·诺依曼（Von-Neumann)结构，数据存储器和程序存储器重合在一起。 同时，此结构也被大多数计算机所采用。 ARM7为三级流水线结构（取指，译码，执行），平均功耗为0.6mW/MHz，时钟 速度为66MHz，每条指令平均执行1.9个时钟周期。 ARM7系列微处理器包括如下几种类型的核：ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、 ARM720T、ARM7EJ。 ARM7TMDI是目前使用最广泛的32位嵌入式RISC处理器，属低端ARM处理器核。 TDMI的基本含义为： T： 支持16为压缩指令集Thumb； D： 支持片上Debug； M：内嵌硬件乘法器（Multiplier） I： 嵌入式ICE，支持片上断点和调试点；
ARM概述 第二章 ARM概述
ARM技术随处可见
第二章 ARM概述
主要内容： ARM简介 ARM体系结构概述 ARM微处理器的应用选型
ARM简介 2.1 ARM简介
2.2.1 ARM公司简介
ARM于1990年11月在英国伦敦成立 前身为Acorn计算机公司 Advance RISC Machine (ARM) 全球领先的16/32位嵌入式RISC微处理器解决方案供应商。 ARM公司是知识产权（IP）公司，本身不生产芯片，靠转让设计许可，由合 作伙伴公司来生产各具特色的芯片。 目前，全世界有几十家著名的半导体公司都使用ARM公司的授权，其中包括 摩托罗拉、IBM、Intel、SONY、NEC、LG、ATMEL等，从而保证了大量的 开发工具和丰富的第三方资源，它们共同保证了基于ARM处理器核的设计可 以很快投入市场。 ARM公司已成为移动通信、手持设备、多媒体数字消费嵌入式解决方案的 RISC标准。
ARM微处理器的应用
1、工业控制领域：作为32的RISC架构，基于ARM核的微控制器芯片不但占 据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用 领域扩展，ARM微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8位/16位微控制器 提出了挑战。 2、无线通讯领域：目前已有超过85%的无线通讯设备采用了ARM技术， ARM以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。 3、网络应用：随着宽带技术的推广，采用ARM技术的ADSL芯片正逐步获得 竞争优势。此外，ARM在语音及视频处理上行了优化，并获得广泛支持，也 对DSP的应用领域提出了挑战。 4、消费类电子产品：ARM技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒 和游戏机中得到广泛采用。 5、成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用ARM技 术。手机中的32位SIM智能卡也采用了ARM技术。
2.2.3 ARM的流水线结构
ARM微处理器的 2.3 ARM微处理器的 应用选型
2.3 ARM微处理器的应用选型
ARM微处理器包含一系列的内核结构，应正确选型以适 应不同的应用领域； 如果希望使用WinCE或标准Linux等操作系统以减少软件 开发时间，就需要选择ARM720T以上带有MMU （Memory Management Unit）功能的ARM芯片， ARM720T、ARM920T、ARM922T、ARM946T、StrongARM都带有MMU功能； 如果希望使用ucLinux等不需要MMU支持的操作系统，就 可以选择诸如ARM7TDMI这一没有MMU功能的ARM微处 理器系列。
(7)、低电压功耗的设计。 考虑到ARM体系结构的处理器主要用于手持式嵌入式系统中，ARM体 系结构在设计中就十分注意功耗的设计。
2.2.3 ARM的流水线结构
2.2.3 ARM的流水线结构
随着流水线深度（级数）的增加，每一段的工作量被 削减了，这使得处理器可以工作在更高的频率，同时改进了 处理器的性能； 负面作用是增加了系统的延时，即内核在执行一条指令前， 需要更多的周期来填充流水线； 流水线级数的增加也意味着在某些段之间会产生数据相关。
课后作业
1、ARM英文原意是什么？它是怎样的一个公司？ 其处理器有何特点？ 2、ARM体系结构的总体思想和特点是什么？ 2、ARM7和ARM9有何不同？
2.2.2 ARM体系结构的特点
(1)、RISC型处理器结构；
ARM采用RISC结构，在简化处理器结构，减少复杂功能指令的 同时，提高了处理器的速度。 考虑到处理器与存储器打交道的指令执行时间远远大于在寄存器 内操作的指令执行时间，RISC型处理器采用了Load/Store（加载/存储） 结构，即只有Load/Store指令可与存储器打交道，其余指令都不允许 进行存储器操作。 同时，为了进一步提高指令和数据的存取速度，RISC型处理器 增加了指令高速缓冲I-Cache和数据高速缓冲D-Cache及多处理器结构， 使指令的操作尽可能在寄存器之间进行。
典型的嵌入式处理器
MIPS处理器 处理器
MIPS是世界上很流行的一种RISC处理器。 MIPS的意思是“无内部互锁流水级的微处理 器”(Microprocessor without interlocked piped stages)，其机制 是尽量利用软件办法避免流水线中的数据相关问题。 MIPS的定位很广。有MIPS 32和MIPS 64两种体系结构。
PowerPC处理器 处理器
IBM推出的 推出的PowerPC处理器，应用范围很广，主要面向大型 处理器， 推出的 处理器 应用范围很广， 通信设备、高端的工作站。 通信设备、高端的工作站。
8/16/32位嵌入式微处理器销售额比较
ARM微处理器特点
小体积、低功耗、低成本而高性能； 16/32位双指令集； 全球众多的合作伙伴。
2.2.2 ARM体系结构的特点
(3)、多处理器状态模式； ARM体系结构定义了7种处理器模式：用户(usr)、快 中断(fiq)、中断(irq)、管理(svc)、终止(abt)、未定义(und) 和系统(sys)，大大提高了ARM处理器的效率。

(4)、两种处理器工作状态； ARM状态（执行32位ARM指令）和Thumb状态（执 行16位Thumb指令）。
ARM微处理器系列
ARM微处理器目前包括下面几个系列，除了具有ARM体系结构的共同特 点以外，每一个系列的ARM微处理器都有各自的特点和应用领域。 － 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为4个通用处理器系列，每一个 系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。SecurCore系 列专门为安全要求较高的应用而设计。
2004年全球半导体IP供应商排名
ARM的发展历程
1991年，ARM推出第一款 RISC嵌入式微处理器核 ARM6； 1993年，ARM推出ARM7核； 1995年，ARM的Thumb指令 为16位系统增加了32位的性 能，ARM提供了业界领先的 代码密度。
ARM的业务模型
2.2.2 ARM微处理器
ARM9微处理器
ARM7采用的Neumann结构，取指令和取操作数都是通过一条总线分 时进行，这样，在高速运算时，不但不能同时取指令和取操作数，而 且还会造成传输通道上的瓶颈现象。 ARM9采用哈佛（Harvard)结构，程序存储器与数据存储器分开，提 供了较大的存储器带宽。同时，大多数DSP都采用此结构。 ARM9为五级流水（取指，译码，执行，缓冲/数据，回写），平均功 耗为0.7mW/MHz。时钟速度为120MHz-200MHz，每条指令平均执行 1.5个时钟周期。 ARM9系列微处理器包含ARM920T、ARM922T和ARM940T三种类型， 以适用于不同的应用场合。