ARM体系简介解析

主流的ARM处理器介绍
• ARM Cortex嵌入式处理器
区别于Cortex应用程序处理器对操作系统和移动Internet的支持偏 向，Cortex嵌入式处理器旨在为各种不同的市场提供服务。包括 Cortex-M系列和Cortex-R系列。
Cortex-M系列——面向具有确定性的微控制器应用的成本敏感型解决方案； Cortex-R系列——面向实时应用的卓越性能。
• ARM9系列处理器应用
产 品 类 型 消费品 联网 汽车 嵌入式 存储
应
用
智能手机、PDA、机顶盒、PMP、电子玩具、数码相机、数码摄像机等 无线局域网、802.11、蓝牙、Firewire、SCSI、2.5G/3G 基带等 电力火车、ABS、车身系统、导航、信息娱乐等 USB 控制器、蓝牙控制器、医用扫描仪等 硬盘控制器、固态驱动器等
主流的ARM处理器介绍
• Cortex-A处理器的应用场合
产 品 类 型 计算 手机 数字家电 汽车 企业 无线基础结构 应 用
上网本、智能本、输入板、电子书阅读器 智能手机、特色手机 机顶盒、数字电视、蓝光播放器、游戏控制台 信息娱乐、导航 激光打印机、路由器、无线基站、VOIP 电话和设备 Web2.0、无线基站、交换机、服务器
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• ARM专家处理器
ARM专家处理器旨在满足特定市场的苛刻需求。其主要分为SecurCore 和FPGA内核两个系列： SecurCore——面向高安全性应用的处理器； FPGA内核——面向FPGA的处理器。 1、SecurCore系列处理器 SecurCore系列微处理器专为安全需求而设计，提供了完善的32位 RISC技术的安全解决方案，除了具有ARM体系结构的低功耗、高性 能的特点外，还提供了安全解决方案的支持。 在系统安全方面具有如下特点： 带有灵活的保护单元，以确保操作系统和应用数据的安全； 采用软内核技术，防止外部对其进行扫描探测； 可集成用户自己的安全特性和其他协处理器。
4、支持MMU
MMU是存储器管理单元的缩写，是用来管理虚拟内存系统的器件。 MMU通常是CPU的一部分，本身有少量存储空间存放从虚拟地址到物理 地址的匹配表。 MMU的主要功能如下：
将虚地址转换成物理地址。 控制存储器存取允许，MMU关掉时，虚地址直接输出到物理地址总线。
主流的ARM处理器介绍
ARM9是本书所采用的微处理器，下面关于ARM9的介绍也是更多地 集中于ARM9E。
主流的ARM处理器介绍
• ARM9处理器的特点 • 1、流水线
对嵌入式系统设计者来说，硬件通常是第一考虑的因素。每一级流水 都对应CPU的一个时钟周期，如果一级流水中的逻辑过于复杂，使得执 行时间居高不下，必然导致所需的时钟周期变长，造成CPU的主频不能 提升。所以流水线的拉长，有利于CPU主频的提高。Arm7使用三级流水 线、ARM9使用五级流水线。
2、采用哈佛结构
根据计算机的存储器结构及其总线连接形式，计算机系统可以分为冯· 诺 依曼结构和哈佛结构。ARM9采用的就是哈佛结构，而ARM7采用的则是 冯·诺依曼结构。
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冯· 诺依曼结构
数据存储器
哈佛结构
地址 数据 地址 指令 CPU PC
程序存储器
在RISC架构的处理器中大约有30%的指令是Load-Store指令，而采 用哈佛结构将大大提升这两个指令的执行速度，提高系统效率。
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• 3、引入高速缓存和写缓存
一般来说处理器的处理速度远远高于存储器的访问速度，而当存储器 访问成为系统性高速缓存（Cache）和写缓存（Write Buffer）可以很好 地解决这个问题，它们存储了最近常用的代码和数据，以供CPU快速存 储。能的瓶颈时，处理器再快也无法发挥作用。
• 经典ARM处理器系列主要参数对比
项目 流水线深度 典型频率（MHz） 功耗（mW/MHz） MIPS/MHz 架构 乘法器 ARM7 3级 80 0.06 0.97 冯· 诺依曼 8× 32 ARM9 5级 150 0.19（+Cache） 1.1 哈佛 8× 32 ARM10 6级 260 0.5（+Cache） 1.3 哈佛 16× 32 ARM11 8级 335 0.4（+Cache） 1.2 哈佛 16× 32
主流的ARM处理器介绍
• SecurCore系列微处理器主要应用于一些安全产品及应用系统，包括 电子商务、电子银行业务、网络、移动媒体和认证系统等。 • 2、FPGA • ARM Cortex-M1处理器满足FPGA应用的高质量、标准处理器体系结构 的需要，支持范围广泛的FPGA设备
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Cortex-M系列基本特征：
成本低 能耗低可兼容性好 易于使用
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• ARM Cortex嵌入式处理器应用领域
Cortex-R系列基本特征 快速 确定性 安全 成本效益
Cortex-M系列应用领域
Cortex-R系列应用领域
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• 经典ARM处理器
S3C2440A处理器
• 我们使用的开发板是基于S3C2440A处理器的。S3C2440A是一款由 Samsung公司使用ARM920T核，它的低功耗、精简而出色的全静态设计 特别适用于对成本和功耗敏感的领域。S3C2440A实现了MMU、 AMBA（Advanced Micro controller Bus Architecture）BUS和哈佛高 速缓冲体系结构。
S3C2440A处理器
• AMBA、AHB、APB总线
ARM研发的AMBA(Advanced Microcontroller Bus Architecture)提供一种特 殊的机制，可将RISC处理器集成在其它IP芯核和外设中，2.0版AMBA标准定 义了三组总线：AHB(Advanced High-performance Bus，AMBA高性能总线)、 ASB(Advanced System Bus，AMBA系统总线)和APB(Advanced Peripheral Bus，AMBA外设总线)。
1、AHB
AHB主要用于高性能模块(如CPU、DMA和DSP等)之间的连接，作为SoC的 片上系统总线，具有一下特征：
数据突发传输（burst transfer）。 数据分割传输（split transaction）。 流水线方式。 一个周期内完成总线主设备（master）对总线控制权的交接。 单时钟沿操作。 更宽的数据总线宽度（最低32位，最高可达1024位，但推荐不要超过256位 ）。
主流的ARM处理器介绍
• ARM不同系列处理器在性能、功能和兼容性之间的关系
主流的 ARM处理器介绍 后缀变量
含义
x
系列号，如ARM7、ARM9等
• ARM体系结构的命名规则 存储管理/保护单元 y
Z T D M I E J F S
Cache 支持16位压缩指令集Thumb 拥有JTAG调试器，支持片上调 试 内嵌硬件乘法器（Multiplier） 嵌入式ICE，支持片上断点和调 试 增强指令（基于TDMI） Jazell加速 向量浮点单元 可综合版本
ARM处理器的应用领域和特点
• 应用领域
在信息化程度很高的今天，ARM微处理器及其技术的应用已经 深入到了各个领域，不断的发展和革新，为人们的生活带来了极大的方 便，在我们生活和工作中随处可见。 主要应用领域包括： 嵌入式领域 企业领域 家庭领域 移动领域
ARM处理器的应用领域和特点
主流的ARM处理器介绍
• ARM Cortex应用程序处理器
作为目前ARM处理器中最高端的系列，Cortex应用程序处理器在高 级工艺节点中已经可实现高达2GHz+标准频率的卓越性能。主要包括 Cortex-A系列：Cortex-A5、Cortex-A8、Cortx-A9、Cortex-A15。卓越 性能表现在： 移动Internet的理想选择 高性能 多核技术 高级扩展
• 其他ARM处理器
除了ARLeabharlann Baidu公司提供的四种类别的ARM处理器以外，常用的还有Intel公司 开发的Xscale系列和StrongARM系列。 • 1、Xscale系列
Xscale是基于ARMv5TE体系结构的一种内核，相比于ARM处理器功耗更低， 系统伸缩性更好，核心频率也得到提高。目前已使用在数字移动到电话、个 人数字助理和网络产品等场合。 2、 StrongARM系列 StrongARM系列采用ARM公司推出的一款旨在支持WinCE3.0-PocketPC系 统的RISC（精简指令集）处理器作为内核。 优点：StrongARM处理器的性能不错，甚至表现不比新款产品差。兼容 性好。 缺点：功耗过大一直是困扰高频率处理器首要问题，是的频率不能得到大 的提升。
ARM处理器概述
本章学习重点
• • • • ARM处理器是什么？ 应用领域和特点 主流的ARM处理器介绍 S3C2440处理器简介
• 通过本章的学习我们了解何为ARM，ARM的 现状和ARM应用情况；了解市面上的主流 ARM处理器及其应用领域；了解我们使用的 S3C2440处理。
什么是ARM处理器
主流的ARM处理器介绍
• 5级流水线的具体内容如下： 取指：从存储器中取出指令并将其放入指令流水线。 译码：对取出的指令进行译码。 执行：把一个操作数移位，产生ALU的结果。 缓冲：如果需要则访问数据存储器，否则ALU的结果只是简单地缓冲 一个时钟周期，以便所有的指令具有相同的流水线流程。 回写：将指令产生的结果回写到寄存器堆，包括从存储器取出的数据 。
ARM经典处理器适用于那些希望在新应用中使用经过市场验证的技术 的组织。这些处理器提供了许多的特性、卓越的功效和范围广泛的操作 能力，适用于成本敏感型解决方案。
经典ARM处理器包括我们耳熟能详的ARM7、ARM9、ARM11三个系列 ： ARM7系列——面向普通应用的经典处理器； ARM9系列——基于ARMv5体系结构的常用处理器； ARM11系列——基于ARMv6体系结构的高性能处理器。
主流的ARM处理器介绍
• ARM与业界最广泛的体系相结合，已推出的 一系列20多种处理器可以解决几乎每个应用难 题，是真正意义上的The Architecture for the Digital World（数字世界的体系结构）。 • 目前，ARM微处理器宏伟而丰富的体系主要 包括以下四个部分：
ARM Cortex应用程序处理器； ARM Cortex嵌入式处理器； 经典ARM处理器； ARM专家处理器。
• ARM(Advanced RISC Machines)处理器是一 种低功耗高性能的32位RISC（精简指令集）处理 器，ARM也是一个公司的名字。ARM处理器就是 由ARM公司设计。ARM处理器目前，采用ARM 技术知识产权（IP）核的微处理器，即我们通常 所说的ARM微处理器，已遍及工业控制、消费类 电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各 类产品市场，基于ARM技术的微处理器应用约占 据了32位RISC微处理器75％以上的市场份额， ARM技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。
S3C2440A处理器
2、APB
APB主要用于低带宽的周边外设之间的连接，例如UART、1284等，具有一 下特征：
两个时钟周期传输。 无需等待周期和回应信号。 控制逻辑简单，只有四个控制信号。
存储控制器
• S3C2440A的存储控制器提供访问外部存储器所需的存储器控制信号， 其有以下特性。
• 应用领域
嵌入式领域
企业领域
家庭领域
移动领域
ARM处理器的应用领域和特点
• ARM处理器的特点
ARM处理器的三大特点是：耗电少功能强、16位/32位双指令集和 合作伙伴众多。具体来说，有以下六个主要特点：
体积小、低功耗、低成本、高性能； 支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好的兼容8位/16位 器件； 大量使用寄存器，指令执行速度更快； 大多数数据操作都在寄存器中完成； 寻址方式灵活简单，执行效率高； 指令长度固定。