ARM 概述
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ARM10E系列微處理器包含ARM1020E、ARM1022E和ARM1026EJ-S三種類型,以適用于不同的應用場合。
1.3.5SecurCore微處理器系列
SecurCore系列微處理器專為安全需要而設計,提供了完善的32位RISC技術(shù)的安全解決方案,因此,SecurCore系列微處理器除了具有ARM體系結(jié)構(gòu)的低功耗、高性能的特點外,還具有其獨特的優(yōu)勢,即提供了對安全解決方案的支持。
SecurCore系列微處理器除了具有ARM體系結(jié)構(gòu)各種主要特點外,還在系統(tǒng)安全方面具有如下的特點：
?。瓗в徐`活的保護單元,以確保操作系統(tǒng)和應用數(shù)據(jù)的安全。
?。捎密泝?nèi)核技術(shù),防止外部對其進行掃描探測。
?。杉捎脩糇约旱陌踩匦院推渌麉f(xié)處理器。
SecurCore系列微處理器主要應用于一些對安全性要求較高的應用產(chǎn)品及應用系統(tǒng),如電子商務、電子政務、電子銀行業(yè)務、網(wǎng)絡和認證系統(tǒng)等領(lǐng)域。
SecurCore系列微處理器包含SecurCoreSC100、SecurCoreSC110、SecurCoreSC200和SecurCoreSC210四種類型,以適用于不同的應用場合。
1.3.6StrongARM微處理器系列
InterStrongARMSA-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Inter公司的設計和處理技術(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)、同時采用具有Intel技術(shù)優(yōu)點的體系結(jié)構(gòu)。
IntelStrongARM處理器是便攜式通訊產(chǎn)品和消費類電子產(chǎn)品的理想選擇,已成功應用于多家公司的掌上電腦系列產(chǎn)品。
1.3.7Xscale處理器
Xscale處理器是基于ARMv5TE體系結(jié)構(gòu)的解決方案,是一款全性能、高性價比、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)字移動電話、個人數(shù)字助理和網(wǎng)絡產(chǎn)品等場合。
Xscale處理器是Inter目前主要推廣的一款ARM微處理器。
1.4ARM微處理器結(jié)構(gòu)
1.4.1RISC體系結(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)的CISC（ComplexInstructionSetComputer,復雜指令集計算機）結(jié)構(gòu)有其固有的缺點,即隨著計算機技術(shù)的發(fā)展而不斷引入新的復雜的指令集,為支持這些新增的指令,計算機的體系結(jié)構(gòu)會越來越復雜,然而,在CISC指令集的各種指令中,其使用頻率卻相差懸殊,大約有20％的指令會被反復使用,占整個程序代碼的80％。而余下的80％的指令卻不經(jīng)常使用,在程序設計中只占20％,顯然,這種結(jié)構(gòu)是不太合理的。
基于以上的不合理性,1979年美國加州大學伯克利分校提出了RISC（ReducedInstructionSetComputer,精簡指令集計算機）的概念,RISC并非只是簡單地去減少指令,而是把著眼點放在了如何使計算機的結(jié)構(gòu)更加簡單合理地提高運算速度上。RISC結(jié)構(gòu)優(yōu)先選取使用頻最高的簡單指令,避免復雜指令;將指令長度固定,指令格式和尋地方式種類減少;以控制邏輯為主,不用或少用微碼控制等措施來達到上述目的。
到目前為止,RISC體系結(jié)構(gòu)也還沒有嚴格的定義,一般認為,RISC體系結(jié)構(gòu)應具有如下特點：
?。捎霉潭ㄩL度的指令格式,指令歸整、簡單、基本尋址方式有2～3種。
?。褂脝沃芷谥噶?便于流水線操作執(zhí)行。
?。罅渴褂眉拇嫫?數(shù)據(jù)處理指令只對寄存器進行操作,只有加載/存儲指令可以訪問存儲器,以提高指令的執(zhí)行效率。
除此以外,ARM體系結(jié)構(gòu)還采用了一些特別的技術(shù),在保證高性能的前提下盡量縮小芯片的面積,并降低功耗：
?。械闹噶疃伎筛鶕?jù)前面的執(zhí)行結(jié)果決定是否被執(zhí)行,從而提高指令的執(zhí)行效率。
?。捎眉虞d/存儲指令批量傳輸數(shù)據(jù),以提高數(shù)據(jù)的傳輸效率。
－可在一條數(shù)據(jù)處理指令中同時完成邏輯處理和移位處理。
－在循環(huán)處理中使用地址的自動增減來提高運行效率。
當然,和CISC架構(gòu)相比較,盡管RISC架構(gòu)有上述的優(yōu)點,但決不能認為RISC架構(gòu)就可以取代CISC架構(gòu),事實上,RISC和CISC各有優(yōu)勢,而且界限并不那么明顯。現(xiàn)代的CPU往往采用CISC的外圍,內(nèi)部加入了RISC的特性,如超長指令集CPU就是融合了RISC和CISC的優(yōu)勢,成為未來的CPU發(fā)展方向之一。
1.4.2ARM微處理器的寄存器結(jié)構(gòu)
ARM處理器共有37個寄存器,被分為若干個組（BANK）,這些寄存器包括：
?。?1個通用寄存器,包括程序計數(shù)器（PC指針）,均為32位的寄存器。
?。?個狀態(tài)寄存器,用以標識CPU的工作狀態(tài)及程序的運行狀態(tài),均為32位,目前只使用了其中的一部分。
同時,ARM處理器又有7種不同的處理器模式,在每一種處理器模式下均有一組相應的寄存器與之對應。即在任意一種處理器模式下,可訪問的寄存器包括15個通用寄存器（R0～R14）、一至二個狀態(tài)寄存器和程序計數(shù)器。在所有的寄存器中,有些是在7種處理器模式下共用的同一個物理寄存器,而有些寄存器則是在不同的處理器模式下有不同的物理寄存器。
關(guān)于ARM處理器的寄存器結(jié)構(gòu),在后面的相關(guān)章節(jié)將會詳細描述。
1.4.3ARM微處理器的指令結(jié)構(gòu)
ARM微處理器的在較新的體系結(jié)構(gòu)中支持兩種指令集：ARM指令集和Thumb指令集。其中,ARM指令為32位的長度,Thumb指令為16位長度。Thumb指令集為ARM指令集的功能子集,但與等價的ARM代碼相比較,可節(jié)省30％～40％以上的存儲空間,同時具備32位代碼的所有優(yōu)點。
關(guān)于ARM處理器的指令結(jié)構(gòu),在后面的相關(guān)章節(jié)將會詳細描述。
1.5ARM微處理器的應用選型
鑒于ARM微處理器的眾多優(yōu)點,隨著國內(nèi)外嵌入式應用領(lǐng)域的逐步發(fā)展,ARM微處理器必然會獲得廣泛的重視和應用。但是,由于ARM微處理器有多達十幾種的內(nèi)核結(jié)構(gòu),幾十個芯片生產(chǎn)廠家,以及千變?nèi)f化的內(nèi)部功能配置組合,給開發(fā)人員在選擇方案時帶來一定的困難,所以,對ARM芯片做一些對比研究是十分必要的。
以下從應用的角度出發(fā),對在選擇ARM微處理器時所應考慮的主要問題做一些簡要的探討。
ARM微處理器內(nèi)核的選擇
從前面所介紹的內(nèi)容可知,ARM微處理器包含一系列的內(nèi)核結(jié)構(gòu),以適應不同的應用領(lǐng)域,用戶如果希望使用WinCE或標準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（MemoryManagementUnit）功能的ARM芯片,ARM720T、ARM920T、ARM922T、ARM946T、Strong-ARM都帶有MMU功能。而ARM7TDMI則沒有MMU,不支持WindowsCE和標準Linux,但目前有uCLinux等不需要MMU支持的操作系統(tǒng)可運行于ARM7TDMI硬件平臺之上。事實上,uCLinux已經(jīng)成功移植到多種不帶MMU的微處理器平臺上,并在穩(wěn)定性和其他方面都有上佳表現(xiàn)。
本書所討論的S3C4510B即為一款不帶MMU的ARM微處理器,可在其上運行uCLinux操作系統(tǒng)。
系統(tǒng)的工作頻率
系統(tǒng)的工作頻率在很大程度上決定了ARM微處理器的處理能力。ARM7系列微處理器的典型處理速度為0.9MIPS/MHz,常見的ARM7芯片系統(tǒng)主時鐘為20MHz-133MHz,ARM9系列微處理器的典型處理速度為1.1MIPS/MHz,常見的ARM9的系統(tǒng)主時鐘頻率為100MHz-233MHz,ARM10最高可以達到700MHz。不同芯片對時鐘的處理不同,有的芯片只需要一個主時鐘頻率,有的芯片內(nèi)部時鐘控制器可以分別為ARM核和USB、UART、DSP、音頻等功能部件提供不同頻率的時鐘。
芯片內(nèi)存儲器的容量
大多數(shù)的ARM微處理器片內(nèi)存儲器的容量都不太大,需要用戶在設計系統(tǒng)時外擴存儲器,但也有部分芯片具有相對較大的片內(nèi)存儲空間,如ATMEL的AT91F40162就具有高達2MB的片內(nèi)程序存儲空間,用戶在設計時可考慮選用這種類型,以簡化系統(tǒng)的設計。
片內(nèi)外圍電路的選擇
除ARM微處理器核以外,幾乎所有的ARM芯片均根據(jù)各自不同的應用領(lǐng)域,擴展了相關(guān)功能模塊,并集成在芯片之中,我們稱之為片內(nèi)外圍電路,如USB接口、IIS接口、LCD控制器、鍵盤接口、RTC、ADC和DAC、DSP協(xié)處理器等,設計者應分析系統(tǒng)的需求,盡可能采用片內(nèi)外圍電路完成所需的功能,這樣既可簡化系統(tǒng)的設計,同時提高系統(tǒng)的可靠性。
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