第2章 ARM處理器概述

2.1 ARM發(fā)展歷程

ARM是一種嵌入式處理器的體系架構(gòu)，它由ARM公司設(shè)計(jì)，但是ARM公司自己卻不生產(chǎn)也不銷售ARM芯片，它只出售芯片生產(chǎn)授權(quán)，只有得到ARM公司授權(quán)的公司才能生產(chǎn)ARM芯片。

ARM公司1990年成立于英國(guó)劍橋的一個(gè)谷倉(cāng)里，當(dāng)時(shí)只有12人。ARM公司于1991年開發(fā)出第一個(gè)嵌入式RISC內(nèi)核——ARM6處理器，發(fā)展到今天，ARM公司的半導(dǎo)體合作伙伴所生產(chǎn)的基于ARM技術(shù)的處理器每年的出貨量已近30億個(gè)。

如今ARM公司已經(jīng)成為全球最大的微處理器知識(shí)產(chǎn)權(quán)公司，ARM處理器產(chǎn)品線也覆蓋了微處理器應(yīng)用的每一個(gè)領(lǐng)域，從成本非常低的嵌入式微控制器，到要求非常高的網(wǎng)絡(luò)、手機(jī)和消費(fèi)娛樂應(yīng)用的多核處理器，ARM處理器現(xiàn)在已經(jīng)無(wú)處不在：包括LGViewty、諾基亞N95和索尼愛立信P1i智能手機(jī)、iPhone和iPod、Garmin、Navman和TomTom的便攜式導(dǎo)航系統(tǒng)、柯達(dá)照相機(jī)、索尼攝像機(jī)、任天堂DS掌上游戲機(jī)、東芝高清數(shù)字電視、三星和希捷的硬盤驅(qū)動(dòng)器、博世汽車剎車系統(tǒng)、惠普打印機(jī)、Linksys和Netgear的無(wú)線路由器等各種產(chǎn)品中都能看到ARM處理器的身影。

目前全世界幾乎所有的半導(dǎo)體公司都通過授權(quán)獲得了ARM處理器架構(gòu)；這其中著名歐美半導(dǎo)體公司有：英特爾、德洲儀器、三星半導(dǎo)體、摩托羅拉、飛利浦半導(dǎo)體、意法半導(dǎo)體、億恒半導(dǎo)體、科勝訊、ADI公司、安捷倫、高通公司、Atmel、Intersil、Alcatel、Altera、Cirrus Logic、Linkup、Parthus、LSI Logic、Micronas、Silicon Wave、Virata、Portalplayer inc.、NetSilicon、Parthus等。日本的許多著名半導(dǎo)體公司如東芝、三菱半導(dǎo)體、愛普生、富士通半導(dǎo)體、松下半導(dǎo)體等公司較早期都大力投入開發(fā)了自主的32位CPU結(jié)構(gòu)，但現(xiàn)在都轉(zhuǎn)向購(gòu)買ARM公司的芯核進(jìn)行新產(chǎn)品設(shè)計(jì)，但由于它們購(gòu)買ARM版權(quán)較晚，現(xiàn)在還沒有可銷售的ARM芯片，而OKI、NEC、AKM、OAK、Sharp、Sanyo、Sony、Rohm等日本半導(dǎo)體公司目前都已經(jīng)生產(chǎn)了ARM芯片。韓國(guó)的現(xiàn)代半導(dǎo)體公司也生產(chǎn)ARM芯片。另外，國(guó)外也有很多設(shè)備制造商采用ARM體系架構(gòu)設(shè)計(jì)自己的專用芯片，如美國(guó)的IBM、3COM和新加坡的創(chuàng)新科技等。我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)可以提供ARM芯片的公司有臺(tái)積電（TSMC）、臺(tái)聯(lián)電（UMC）、華邦電子等。大陸已購(gòu)買ARM授權(quán)且正在設(shè)計(jì)自主版權(quán)專用芯片的公司有中興通訊等。

2.2 ARM處理器特點(diǎn)

ARM處理器以低功耗、低成本、實(shí)用性強(qiáng)為特點(diǎn)，并以優(yōu)異的產(chǎn)品性能著稱于世，其主要特點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面：

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，能很好地兼容8位/16位器件；

3）大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度快；

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）采用精簡(jiǎn)指令集（RISC），指令長(zhǎng)度固定。

此外，ARM處理器還采用了一些特別的技術(shù)，在保證高性能的同時(shí)盡量減小芯片體積，降低芯片功耗，這些技術(shù)包括：

1）在同一條數(shù)據(jù)處理指令中包含算術(shù)邏輯處理單元處理和移位處理；

2）使用地址自動(dòng)增量（增加或減少）來優(yōu)化程序中循環(huán)處理；

3）Load/Store指令可以批量傳輸數(shù)據(jù)，從而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾剩?/p>

4）所有指令都可以根據(jù)前面指令的執(zhí)行結(jié)果決定是否執(zhí)行，以提高指令的執(zhí)行效率。

2.3 ARM處理器應(yīng)用

基于ARM處理器的優(yōu)異性能，如今ARM處理器及技術(shù)的應(yīng)用隨處可見，幾乎已經(jīng)深入到各個(gè)領(lǐng)域，主要包括：

1）工業(yè)控制領(lǐng)域：作為32位的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)。

2）無(wú)線通信領(lǐng)域：目前已有超過85%的無(wú)線通信設(shè)備采用了ARM處理器及其技術(shù)，ARM處理器以其高性能和低成本，在該領(lǐng)域的地位日益鞏固。

3）網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用：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處理器在語(yǔ)音及視頻處理上進(jìn)行了優(yōu)化，并獲得了廣泛支持，所以ARM處理器及其技術(shù)對(duì)DSP的應(yīng)用領(lǐng)域也提出了挑戰(zhàn)。

4）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)中得到了廣泛應(yīng)用。

5）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)。

除此之外，ARM微處理器及技術(shù)還應(yīng)用到許多其他領(lǐng)域，并將獲得越來越廣泛的應(yīng)用。

2.4 ARM體系架構(gòu)

至今，ARM體系架構(gòu)共定義了6個(gè)版本，版本號(hào)分別為1~6，隨著版本號(hào)的遞增，ARM體系架構(gòu)的指令集功能不斷擴(kuò)大，同時(shí)各種版本有一些變種，變種定義了該版本指令集中不同的功能。各種ARM處理器的生產(chǎn)廠家和實(shí)現(xiàn)技術(shù)各不相同，性能差別也很大，應(yīng)用也不盡相同，但是只要它們屬于相同的ARM體系架構(gòu)版本，那么用于它們的應(yīng)用軟件就能兼容。

2.4.1 ARM體系架構(gòu)版本

■ 版本1（ARMv1）

ARMv1在ARM1處理器中實(shí)現(xiàn)，但ARMv1并沒有商業(yè)化。ARMv1的特點(diǎn)有：

1）只支持除乘法指令之外的其他基本數(shù)據(jù)處理指令；

2）支持字節(jié)、字、多字的讀寫指令（Load/Store）；

3）支持包括bl的跳轉(zhuǎn)指令；

4）支持用于操作系統(tǒng)的軟中斷指令swi。

■ 版本2（ARMv2）

ARMv2在ARMv1的基礎(chǔ)上增加了以下指令：

1）乘法指令和乘加法指令；

2）協(xié)處理指令；

3）為FIQ模式增加了兩個(gè)額外的備份寄存器；

4）swp指令和swpb指令。

■ 版本3（ARMv3）

ARMv3在以前版本基礎(chǔ)上進(jìn)行了比較大的改進(jìn)，包括：

1）處理器地址空間擴(kuò)展到了32位，但除了ARMv3G（ARMv3的一個(gè)變種）外都兼容以前版本的26位地址空間；

2）增加了當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器CPSR（Current Program Status Register），將原來R15寄存器的功能移到了CPSR寄存器上；

3）增加了備份程序狀態(tài)寄存器SPSR（Saved Program Status Register）；

4）增加了中止（包括數(shù)據(jù)訪問中止和指令預(yù)取中止）和未定義指令異常兩種處理器模式；

5）增加了mrs和msr指令，用于訪問CPSR和SPSR寄存器；

6）修改了原來的從異常中斷返回指令。

■ 版本4（ARMv4）

ARMv4在ARMv3的基礎(chǔ)上增加了以下指令：

1）半字讀寫指令；

2）讀?。↙oad）帶符號(hào)字節(jié)和半字?jǐn)?shù)據(jù)指令；

3）增加了T變種，處理器可以切換到Thumb狀態(tài)，執(zhí)行16位Thumb指令；

4）增加處理器系統(tǒng)（System）模式；

5）明確定義了哪些指令會(huì)引起未定義指令異常；

6）不再?gòu)?qiáng)制要求與以前的26位地址空間兼容。

■ 版本5（ARMv5）

ARMv5在ARMv4的基礎(chǔ)上增加和修改了以下指令：

1）提高了T變種中ARM/Thumb混合使用的效率；

2）對(duì)于T變種的指令和非T變種的指令使用相同的代碼生成技術(shù)；

3）增加了前導(dǎo)零計(jì)數(shù)（Count Leading Zeros）指令，它使得整數(shù)除法和中斷優(yōu)先級(jí)排隊(duì)操作更加有效；

4）增加了軟件斷電指令；

5）為協(xié)處理器設(shè)計(jì)提供了更多的可選擇指令；

6）更加嚴(yán)格定義了乘法指令對(duì)條件標(biāo)志位的影響。

■ 版本6（ARMv6）

ARMv6的主要特點(diǎn)是增加了SIMD功能擴(kuò)展，它適用于用電池供電的高性能便攜式設(shè)備。SIMD功能擴(kuò)展為包括音/視頻處理在內(nèi)的應(yīng)用系統(tǒng)提供了優(yōu)化功能，它可以使音/視頻處理性能提高4倍。

ARMv6體系架構(gòu)版本首先在2002年春季發(fā)布的ARM11處理器中使用。

2.4.2 ARM體系架構(gòu)變種（Variant）

■ T變種

T變種的處理器支持Thumb指令集。

T變種從ARMv4中引入，支持Thumb指令的ARM體系版本用字符T來表示。

■ M變種

M變種的處理器增加了兩條用于長(zhǎng)乘法操作的ARM指令，其中一條用于實(shí)現(xiàn)32位整數(shù)乘以32位整數(shù)生成64位整數(shù)的長(zhǎng)乘法；另一條指令用于實(shí)現(xiàn)32位整數(shù)乘以32位整數(shù)然后再加上32位整數(shù)生成64位整數(shù)的長(zhǎng)乘法。

M變種從ARMv3中引入，支持長(zhǎng)乘法指令。ARM體系版本用字符M來表示。

■ E變種

E變種包含了一些附加指令，用于增強(qiáng)處理器對(duì)一些典型的DSP算法的處理性能，包括：

1）增加了幾條新的實(shí)現(xiàn)16位數(shù)據(jù)乘法和乘加操作指令；

2）實(shí)現(xiàn)飽和帶符號(hào)數(shù)的加減法操作指令。所謂的飽和帶符號(hào)數(shù)的加減法操作是在加減法操作溢出時(shí)并不進(jìn)行卷繞（wrapping around），而是使用最大的整數(shù)或最小的負(fù)數(shù)來表示；

3）進(jìn)行雙子數(shù)據(jù)操作的指令ldrd、strd、mcrr、mrrc；

4）cache預(yù)取指令pld。

■ J變種

J變種使ARM的Jazelle技術(shù)將Java的優(yōu)勢(shì)和先進(jìn)的32位RISC芯片完美地結(jié)合在一起，與普通的Java虛擬機(jī)相比，Jazelle使Java代碼運(yùn)行速度提高了8倍，而功耗卻降低了80%；

J變種首先在ARMv4TEJ中使用，用字符J表示。

■ SMID變種

SMID變種增加了媒體功能擴(kuò)展，其主要特點(diǎn)是：

1）將音頻、視頻處理性能提高2~4倍；

2）可以同時(shí)進(jìn)行兩個(gè)16位操作數(shù)或者4個(gè)8位操作數(shù)的運(yùn)算；

3）提供了小數(shù)算術(shù)運(yùn)算；

4）用戶可以定義飽和運(yùn)算模式；

5）兩套16位操作數(shù)的乘加/乘減運(yùn)算；

6）32位乘以32位的小數(shù)MAC；

7）同時(shí)8位/16位選擇操作。

SMID變種的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括：

1）互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)；

2）流媒體應(yīng)用系統(tǒng)；

3）MPEG4編解碼系統(tǒng)；

4）語(yǔ)音和手寫輸入識(shí)別；

5）FFT處理；

6）復(fù)雜的算術(shù)運(yùn)算；

7）Viterbi處理。

2.4.3 ARM體系架構(gòu)版本命名格式

ARM體系架構(gòu)版本號(hào)一般命名方法如下：

        ARMvN(x)B(x)B…

其中：

N：表示版本號(hào)，取值范圍為1~6，如：ARMv6。

B：各種變種的代表字符，一個(gè)版本中可能存在多個(gè)變種，所以一個(gè)版本號(hào)中可以包含多個(gè)變種字符，ARMv5TE表示ARMv5版本中同時(shí)包含了T和E兩個(gè)變種功能。

（x）：如果變種字符前面加了x字符，那么表示該版本中不含該變種功能，如ARMv4xM表示ARMv4版本中不包含M變種的功能。

表2-1列出到目前為止有效的ARM體系架構(gòu)版本名及其含義。

表2-1 有效的ARM體系架構(gòu)版本名及其含義

2.5 ARM處理器

ARM處理器目前包括下面幾個(gè)系列：

1）ARM7系列

2）ARM9系列

3）ARM9E系列

4）ARM10E系列

5）SecurCore系列

6）Intel的StrongARM

7）Intel的Xscale

其中，ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10是4個(gè)通用處理器系列，每一個(gè)系列提供一套相對(duì)獨(dú)特的性能來滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求，而SecurCore系列專門為安全要求較高的應(yīng)用設(shè)計(jì)。

下面我們介紹一下各種處理器的特點(diǎn)及其應(yīng)用領(lǐng)域。

2.5.1 ARM7系列處理器

ARM7系列處理器是低功耗的32位RISC處理器，最適合用于對(duì)價(jià)位和功耗要求較高的消費(fèi)類應(yīng)用。ARM7微處理器系列具有如下特點(diǎn)：

1）具有嵌入式ICE-RT邏輯，調(diào)試開發(fā)方便；

2）極低的功耗，適合對(duì)功耗要求較高的應(yīng)用，如便攜式產(chǎn)品；

3）能夠提供0.9MIPS/MHz的三級(jí)流水線結(jié)構(gòu)；

4）代碼密度高并兼容16位的Thumb指令集；

5）對(duì)操作系統(tǒng)的支持廣泛，包括Windows CE、Linux、Palm OS等；

6）指令系統(tǒng)與ARM9系列、ARM9E系列和ARM10E系列兼容，便于用戶的產(chǎn)品升級(jí)換代；

7）主頻最高可達(dá)130MIPS，高速的運(yùn)算處理能力能勝任絕大多數(shù)的復(fù)雜應(yīng)用。

ARM7系列處理器的主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)椋汗I(yè)控制、互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和調(diào)制解調(diào)器設(shè)備、移動(dòng)電話等多種多媒體和嵌入式應(yīng)用。

ARM7系列處理器包括如下幾種類型：ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ。其中，ARM7TMDI是使用最廣泛的32位嵌入式RISC處理器，屬于低端ARM處理器。TDMI的基本含義為：

T：支持16位壓縮指令集Thumb；

D：支持片上Debug；

M：內(nèi)嵌硬件乘法器（Multiplier）；

I：嵌入式ICE，支持片上斷點(diǎn)和調(diào)試點(diǎn)。

ARM7TDMI芯片有：S3C44B0、S3C4510、AT40800等。

2.5.2 ARM9系列處理器

ARM9系列處理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能，具有以下特點(diǎn)：

1）5級(jí)整數(shù)流水線，指令執(zhí)行效率更高；

2）提供1.1MIPS/MHz的哈佛結(jié)構(gòu)；

3）支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集；

4）支持32位的高速AMBA總線接口；

5）全性能的MMU，支持Windows CE、Linux、Palm OS等多種主流嵌入式操作系統(tǒng)；

6）MPU支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；

7）支持?jǐn)?shù)據(jù)Cache和指令Cache，具有更高的指令和數(shù)據(jù)處理能力。

ARM9系列處理器主要應(yīng)用于無(wú)線設(shè)備、儀器儀表、安全系統(tǒng)、機(jī)頂盒、高端打印機(jī)、數(shù)字照相機(jī)和數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等。

ARM9系列微處理器包括ARM920T、ARM922T和ARM940T三種類型。

2.5.3 ARM9E系列處理器

ARM9E系列處理器是綜合處理器，使用單一的處理器內(nèi)核提供了微控制器、DSP、Java應(yīng)用系統(tǒng)的解決方案，極大地減少了芯片的面積和系統(tǒng)的復(fù)雜程度。ARM9E系列處理器提供了增強(qiáng)的DSP處理能力，很適合于那些需要同時(shí)使用DSP和微控制器的應(yīng)用場(chǎng)合。ARM9E系列處理器的主要特點(diǎn)如下：

1）支持DSP指令集，適合于需要高速數(shù)字信號(hào)處理的場(chǎng)合；

2）5級(jí)整數(shù)流水線，指令執(zhí)行效率更高；

3）支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集；

4）支持32位的高速AMBA總線接口；

5）支持VFP9浮點(diǎn)處理協(xié)處理器；

6）全性能的MMU，支持Windows CE、Linux、Palm OS等多種主流嵌入式操作系統(tǒng)；

7）MPU支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；

8）支持?jǐn)?shù)據(jù)Cache和指令Cache，具有更高的指令和數(shù)據(jù)處理能力；

9）主頻最高可達(dá)300MIPS。

ARM9系列處理器主要應(yīng)用于無(wú)線設(shè)備、數(shù)字消費(fèi)品、成像設(shè)備、工業(yè)控制、存儲(chǔ)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等領(lǐng)域。

ARM9E系列微處理器包括ARM926EJ-S、ARM946E-S和ARM966E-S三種類型。

2.5.4 ARM10E系列處理器

ARM10E系列處理器具有高性能、低功耗的特點(diǎn)，由于采用了新的體系結(jié)構(gòu)，與同等的ARM9器件相比較，在同樣的時(shí)鐘頻率下，性能提高了近50%，同時(shí)，ARM10E系列處理器采用了兩種先進(jìn)的節(jié)能方式，使其功耗極低。ARM10E系列處理器的主要特點(diǎn)如下：

1）支持DSP指令集，適合于需要高速數(shù)字信號(hào)處理的場(chǎng)合；

2）6級(jí)整數(shù)流水線，指令執(zhí)行效率更高；

3）支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集；

4）支持32位的高速AMBA總線接口；

5）支持VFP10浮點(diǎn)處理協(xié)處理器；

6）全性能的MMU，支持Windows CE、Linux、Palm OS等多種主流嵌入式操作系統(tǒng)；

7）支持?jǐn)?shù)據(jù)Cache和指令Cache，具有更高的指令和數(shù)據(jù)處理能力；

8）主頻最高可達(dá)400MIPS；

9）內(nèi)嵌并行讀/寫操作部件。

ARM10E系列處理器主要應(yīng)用于無(wú)線設(shè)備、數(shù)字消費(fèi)品、成像設(shè)備、工業(yè)控制、通信和信息系統(tǒng)等領(lǐng)域。

ARM10E系列微處理器包括ARM1020E、ARM1022E和ARM1026EJ-S三種類型。

2.5.5 SecurCore系列處理器

SecurCore系列微處理器專為安全產(chǎn)品設(shè)計(jì)，提供了完善的32位RISC技術(shù)的安全解決方案，SecurCore系列處理器除了具有ARM體系結(jié)構(gòu)的低功耗、高性能的特點(diǎn)外，還具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，即提供了對(duì)安全解決方案的支持。SecurCore系列處理器除了具有ARM體系結(jié)構(gòu)各種主要特點(diǎn)外，還在系統(tǒng)安全方面具有如下特點(diǎn)：

1）帶有靈活的保護(hù)單元，以確保操作系統(tǒng)和應(yīng)用數(shù)據(jù)的安全；

2）采用軟內(nèi)核技術(shù)，防止外部對(duì)其進(jìn)行掃描探測(cè)；

3）可集成用戶自己的安全特性和其他協(xié)處理器。

SecurCore系列微處理器主要應(yīng)用于對(duì)安全性要求較高的應(yīng)用產(chǎn)品及應(yīng)用系統(tǒng)，如電子商務(wù)、電子政務(wù)、電子銀行業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)和認(rèn)證系統(tǒng)等領(lǐng)域。

SecurCore系列微處理器包括SecurCore SC100、SecurCore SC110、SecurCore SC200和SecurCore SC210四種類型。

2.5.6 StrongARM處理器

Intel StrongARM SA-1100處理器是采用ARM體系結(jié)構(gòu)高度集成的32位RISC微處理器，它融合了Intel公司的設(shè)計(jì)和處理技術(shù)以及ARM體系結(jié)構(gòu)的電源效率，采用在軟件上兼容ARMv4體系結(jié)構(gòu)、同時(shí)采用具有Intel技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的體系結(jié)構(gòu)。

Intel StrongARM處理器是便攜式通信產(chǎn)品和消費(fèi)類電子產(chǎn)品的理想選擇，已成功應(yīng)用于多家公司的掌上電腦系列產(chǎn)品中。

2.5.7 Xscale處理器

Xscale處理器是由Intel生產(chǎn)的基于ARMv5TE體系結(jié)構(gòu)的解決方案，是一款全性能、高性價(jià)比、低功耗的處理器，它支持16位的Thumb指令和DSP指令集，已使用在數(shù)字移動(dòng)電話、個(gè)人數(shù)字助理（PDA）和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品等領(lǐng)域。