第二章嵌入式處理器(上)

嵌入式系統(tǒng)原理與開發(fā)第二章嵌入式處理器(上)

第二章嵌入式處理器2.1引言

2.2 嵌入式處理器概述2.3 ARM處理器基礎(chǔ)

2.4 ARM指令系統(tǒng)2.5 ARM程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.1引言嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)最核心的部件。RISC結(jié)構(gòu)已經(jīng)被證明是嵌入式處理器最適合的結(jié)構(gòu)。ARM處理器是真正意義上的RISC結(jié)構(gòu)的處理器，且具有處理速度快、功耗低、價(jià)格便宜等方面的優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛使用。2.1引言本章以ARM處理器為例來介紹嵌入式處理器。在概要介紹處理器背景知識(shí)的基礎(chǔ)上，主要內(nèi)容偏重于介紹處理器的指令系統(tǒng)和基于處理器的編程基礎(chǔ)。第二章嵌入式處理器2.1引言

2.2 嵌入式處理器概述2.3 ARM處理器基礎(chǔ)

2.4 ARM指令系統(tǒng)2.5 ARM程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2嵌入式處理器概述2.2.1嵌入式處理器的分類2.2.2典型的嵌入式處理器2.2.1嵌入式處理器的分類2.2嵌入式處理器概述

嵌入式處理器嵌入式微控制器（MCU）嵌入式微處理器（MPU）嵌入式DSP（DSP）嵌入式片上系統(tǒng)（SoC）1.嵌入式微控制器(MicroController)

嵌入式微控制器又稱單片機(jī)，就是將整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一塊芯片中。嵌入式微控制器將CPU、存儲(chǔ)器（少量的RAM、ROM或兩者都有）和其他外設(shè)封裝在同一片集成電路里，因?yàn)槠淦贤庠O(shè)資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱為微控制器。2.2.1嵌入式處理器的分類例：Intel8085MicroprocessorIntroducedin19748-bitarchitectureStillusedinsomemicrocontrollerapplications!1.嵌入式微控制器(MicroController)與嵌入式微處理器相比，微控制器的最大特點(diǎn)是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本降低、可靠性提高。由于微控制器低廉的價(jià)格、優(yōu)良的功能，所以擁有的品種和數(shù)量最多，是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。2.2.1嵌入式處理器的分類1.嵌入式微控制器(MicroController)比較有代表性的通用系列包括8051、C166/167、MCS-251、MCS-96/196/296、P51XA、MC68HC05/11/12/16、68300等。還有許多半通用系列，如支持USB接口的MCU8XC930/931、C540、C541；支持I2C、CAN、LCD及眾多專用MCU和兼容系列。2.2.1嵌入式處理器的分類2.嵌入式微處理器(MicroProcessorUnit)嵌入式微處理器是由通用計(jì)算機(jī)中的CPU演變而來的。與通用計(jì)算機(jī)處理器不同，在實(shí)際應(yīng)用中，嵌入式系統(tǒng)將微處理器裝配在專門設(shè)計(jì)的電路板上，只保留與嵌入式應(yīng)用緊密相關(guān)的功能硬件，以滿足嵌入式系統(tǒng)體積小、功耗低的特殊要求。2.2.1嵌入式處理器的分類2.嵌入式微處理器(MicroProcessorUnit)與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低和可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。目前的嵌入式微處理器主要有Am186/88、386EX、PowerPC、ARM、MIPS、Motorola68K等。2.2.1嵌入式處理器的分類3.嵌入式DSP(DigitalSignalProcessor

)嵌入式DSP是專門用于信號(hào)處理的嵌入式芯片。

DSP處理器在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令算法方面進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，使其適合于執(zhí)行DSP算法，使其適合于執(zhí)行DSP算法，因而能夠?qū)﹄x散時(shí)間信號(hào)進(jìn)行極快的處理計(jì)算，提高了編譯效率和執(zhí)行速度。2.2.1嵌入式處理器的分類3.嵌入式DSP(DigitalSignalProcessor

)在數(shù)字濾波、FFT、頻譜分析等方面，嵌入式DSP獲得了大規(guī)模的應(yīng)用。嵌入式DSP處理器主要有兩方面的應(yīng)用：一方面，嵌入式DSP處理器經(jīng)過單片化設(shè)計(jì)，通過在片上增加豐富的外設(shè)使之成為具有高性能DSP功能的片上系統(tǒng)；另一方面，在微處理器、微控制器或片上系統(tǒng)中增加DSP協(xié)處理器來實(shí)現(xiàn)DSP運(yùn)算。2.2.1嵌入式處理器的分類4.嵌入式片上系統(tǒng)(SystemonChip

)片上系統(tǒng)SoC是20世紀(jì)90年代后出現(xiàn)的一種新的嵌入式集成器件。在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)從“集成電路”級(jí)設(shè)計(jì)不斷轉(zhuǎn)向“集成系統(tǒng)”級(jí)設(shè)計(jì)過程中，提出了SoC的概念。

Soc追求產(chǎn)品系統(tǒng)的最大包容，已成為提高移動(dòng)通信、網(wǎng)絡(luò)、信息家電、高速計(jì)算、多媒體應(yīng)用以及軍用電子系統(tǒng)性能的核心器件。2.2.1嵌入式處理器的分類4.嵌入式片上系統(tǒng)(SystemonChip

)

SoC不是把系統(tǒng)所需要的所有集成電路簡(jiǎn)單地二次集成到一個(gè)芯片上，而是從整個(gè)系統(tǒng)的性能要求出發(fā)，把各層次電路器件緊密結(jié)合起來，并通過系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)，在單個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的功能。

SoC最大的特點(diǎn)就是成功實(shí)現(xiàn)了軟硬件無縫結(jié)合，直接在處理器片內(nèi)嵌入操作系統(tǒng)的代碼模塊，滿足了單片系統(tǒng)所要求的高密度、高速度、高性能、小體積、低電壓和低功耗等指標(biāo)。2.2.1嵌入式處理器的分類4.嵌入式片上系統(tǒng)(SystemonChip

)目前比較典型的幾款SoC產(chǎn)品包括Siemens的TriCore、Philips的SmartXA、Motorola的M-Core、某些ARM系列器件、Echelon和Motorola聯(lián)合研制的Neuron芯片等。2.2.1嵌入式處理器的分類2.2嵌入式處理器概述

2.2.1嵌入式處理器的分類2.2.2典型的嵌入式處理器2.2.2典型的嵌入式處理器

ARM處理器

PowerPC處理器

MIPS處理器

Sparc處理器龍芯一號(hào)處理器2.2嵌入式處理器概述

1.ARM處理器2.2.2典型的嵌入式處理器

英國(guó)先進(jìn)RISC機(jī)器公司（AdvancedRISCMachines，ARM）是全球領(lǐng)先的16/32位RISC微處理器知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IntellectualProperty，IP）供應(yīng)商。

ARM公司本身不直接從事芯片生產(chǎn)，而是依靠轉(zhuǎn)讓微處理器、外圍和系統(tǒng)芯片的設(shè)計(jì)技術(shù)給合作公司，由合作公司使用這些技術(shù)來生產(chǎn)各具特色的芯片。1.ARM處理器

ARM已成為移動(dòng)通信、手持設(shè)備、多媒體數(shù)字消費(fèi)等嵌入式解決方案事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。

ARM進(jìn)入中國(guó)幾年以來，已經(jīng)與中興、華為、東南大學(xué)、上海集成電路設(shè)計(jì)中心、中芯國(guó)際以及大唐簽訂了芯片核心技術(shù)授權(quán)協(xié)議。2.2.2典型的嵌入式處理器

1.ARM處理器

ARM處理器本身是32位設(shè)計(jì)，但也配備16位指令集

。

ARM的Jazelle技術(shù)提供了Java加速，可得到比基于軟件的Java虛擬機(jī)高得多的性能。

ARM采用DSP指令集的擴(kuò)充提供了增強(qiáng)的16位和32位算術(shù)運(yùn)算能力，提高了性能和靈活性。

ARM還提供了兩個(gè)前沿特性——嵌入式ICE-RT邏輯和嵌入式跟蹤宏核系列，用以輔助帶嵌入式核的、高集成的SoC器件的調(diào)試。2.2.2典型的嵌入式處理器

1.ARM處理器基于ARM核嵌入式芯片的典型應(yīng)用主要有：2.2.2典型的嵌入式處理器

ARM應(yīng)用消費(fèi)娛樂產(chǎn)品數(shù)字影像產(chǎn)品軍事電子工業(yè)控制產(chǎn)品移動(dòng)存貯無線產(chǎn)品存儲(chǔ)產(chǎn)品汽車產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品安全產(chǎn)品2.PowerPC處理器

PowerPC處理器品種很多，既有通用的處理器，又有嵌入式控制器和內(nèi)核。

PowerPC的特點(diǎn)是可伸縮性好、方便靈活。

PowerPC的應(yīng)用范圍非常廣泛，從高端的工作站、服務(wù)器到桌面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，從消費(fèi)電子到大型通信設(shè)備等各個(gè)方面。

2.2.2典型的嵌入式處理器

2.PowerPC處理器

PowerPC處理器的主頻從25MHz～700MHz不等，它們的能量消耗、大小、整合程度、價(jià)格等差別懸殊，主要產(chǎn)品的芯片型號(hào)有PowerPC750、PowerPC405和PowerPC440。2.2.2典型的嵌入式處理器

3.MIPS處理器

MIPS是MicroprocessorwithoutInterlockedPipelineStages的縮寫，即“無內(nèi)部互鎖流水級(jí)的微處理器”。

MIPS的機(jī)制是盡量利用軟件辦法避免流水線中的數(shù)據(jù)相關(guān)問題，最早在80年代初期由斯坦福（Stanford）大學(xué)Hennessy教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組研制出來的。2.2.2典型的嵌入式處理器

3.MIPS處理器

在嵌入式應(yīng)用方面，MIPS系列微處理器是目前僅次于ARM的使用最廣泛的處理器之一，其應(yīng)用領(lǐng)域覆蓋機(jī)頂盒、游戲機(jī)、路由器、激光打印機(jī)、掌上電腦等各個(gè)方面。

MIPS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)理念比較先進(jìn)，強(qiáng)調(diào)軟硬件協(xié)同提供性能，同時(shí)簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)。

MIPSIDF(MIPSIntegratedDevelopmentFramework)集成開發(fā)工具，特別適用于嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。2.2.2典型的嵌入式處理器

4.Sparc處理器

Sparc處理器是由著名的Sun公司自行研發(fā)的微處理器芯片。

Sun在64位UltraSparc處理器方面，主要有3個(gè)系列：可擴(kuò)展的s系列主要用于高性能、易擴(kuò)展的多處理器系統(tǒng)；集成式i系列將多種系統(tǒng)功能集成在一個(gè)處理器上，為單處理器系統(tǒng)提供了更高的效益；嵌入式e系列為用戶提供理想的性能價(jià)格比，其嵌入式應(yīng)用包括瘦客戶機(jī)、電纜調(diào)制解調(diào)器和網(wǎng)絡(luò)接口等。2.2.2典型的嵌入式處理器

5.龍芯一號(hào)處理器

龍芯一號(hào)處理器是神州龍芯公司推出的兼顧通用及嵌入式處理器特點(diǎn)的新一代32位處理器。龍芯一號(hào)的投片成功，并通過了以SPECCPU2000為代表的一批性能和功能測(cè)試程序的嚴(yán)格測(cè)試，標(biāo)志著我國(guó)在現(xiàn)代通用微處理器設(shè)計(jì)方面實(shí)現(xiàn)了"零"的突破，

打破了我國(guó)長(zhǎng)期依賴國(guó)外CPU產(chǎn)品的無"芯"的歷史，也標(biāo)志著國(guó)產(chǎn)安全服務(wù)器CPU和通用的嵌入式微處理器產(chǎn)業(yè)化的開始。2.2.2典型的嵌入式處理器

5.龍芯一號(hào)處理器

龍芯一號(hào)在通用CPU體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面采用了許多先進(jìn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)，尤其在動(dòng)態(tài)流水線的具體實(shí)現(xiàn)和硬件對(duì)系統(tǒng)安全性的支持方面，有獨(dú)特創(chuàng)新并申請(qǐng)了專利。

龍芯一號(hào)在片內(nèi)提供了一種特別設(shè)計(jì)的硬件機(jī)制，可以抗御緩沖區(qū)溢出攻擊，在硬件上根本抵制了緩沖區(qū)溢出類攻擊的危險(xiǎn)，從而大大的增加的服務(wù)器的安全性。

2.2.2典型的嵌入式處理器

5.龍芯一號(hào)處理器

使用龍芯一號(hào)CPU可以構(gòu)成更為安全的網(wǎng)絡(luò)安全服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)安全網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)際防火墻、服務(wù)器網(wǎng)卡等對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全有特殊需求的產(chǎn)品及應(yīng)用。龍芯系列微處理器可廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、信息家電、通訊、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、PDA、網(wǎng)絡(luò)終端、存儲(chǔ)服務(wù)器、安全服務(wù)器等產(chǎn)品上。2.2.2典型的嵌入式處理器

第二章嵌入式處理器2.1引言

2.2 嵌入式處理器概述2.3 ARM處理器基礎(chǔ)

2.4 ARM指令系統(tǒng)2.5 ARM程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.3ARM處理器基礎(chǔ)2.3.1ARM簡(jiǎn)介

2.3.2ARM處理器系列2.3.3ARM處理器體系結(jié)構(gòu)2.3.4ARM處理器應(yīng)用選型

2.3.1ARM簡(jiǎn)介 ARM處理器核因其卓越的性能和顯著優(yōu)點(diǎn)，已成為高性能、低功耗、低成本嵌入式處理器核的代名詞，得到了眾多半導(dǎo)體廠家和整機(jī)廠商的大力支持。2.3ARM處理器基礎(chǔ)1.ARM處理器的發(fā)展過程

1985年4月26日，第一個(gè)ARM原型在英國(guó)劍橋的Acorn計(jì)算機(jī)有限公司誕生，并成功的運(yùn)行了測(cè)試程序。20世紀(jì)80年代后期，ARM很快開發(fā)成Acorn的臺(tái)式機(jī)產(chǎn)品，奠定了英國(guó)教育界計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)。

1990年，為廣泛推廣ARM技術(shù)而成立了AdvancedRISCMachinesLimited（簡(jiǎn)稱為ARMLimited，ARM公司）。2.3.1ARM簡(jiǎn)介1.ARM處理器的發(fā)展過程

20世紀(jì)90年代，ARM32位嵌人式RISC（ReducedInstructionSetComputer）處理器擴(kuò)展到世界范圍，特別是占據(jù)了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

ARM公司雖然只成立10多年，但在1999年因移動(dòng)電話火爆市場(chǎng)，其32位RISC處理器占市場(chǎng)份額超過了50%，成為業(yè)界龍頭老大。2001年初，ARM公司的32位RISC處理器市場(chǎng)占有率超過了75%。2.3.1ARM簡(jiǎn)介1.ARM處理器的發(fā)展過程

ARM公司商業(yè)模式的強(qiáng)大之處在于其價(jià)格合理，全世界范圍有超過100個(gè)合作伙伴——包括半導(dǎo)體工業(yè)的著名公司。ARM公司專注于設(shè)計(jì)，其內(nèi)核耗電少、成本低、功能強(qiáng)，特有16/32位雙指令集。ARM已成為移動(dòng)通信、手持計(jì)算、多媒體數(shù)字消費(fèi)等嵌入式解決方案的RISC標(biāo)準(zhǔn)。在所有ARM處理器系列中，ARM7處理器系列應(yīng)用最廣，采用ARM7處理器作為內(nèi)核生產(chǎn)芯片的公司最多。2.3.1ARM簡(jiǎn)介2.ARM處理器的特點(diǎn)體積小、低功耗、低成本、高性能；支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集，能很好的兼容8位/16位器件；大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快；大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成，通過Load/Store結(jié)構(gòu)在內(nèi)存和寄存器之間傳遞數(shù)據(jù)；尋址方式靈活簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高；指令長(zhǎng)度固定。2.3.1ARM簡(jiǎn)介3.ARM系列采用的特別技術(shù)

在同一條數(shù)據(jù)處理指令中包含算術(shù)邏輯處理單元進(jìn)行算術(shù)處理和移位處理；使用地址自動(dòng)增加（減少）來優(yōu)化程序中的循環(huán)處理；

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)男?；所有指令都可以根?jù)前面的指令執(zhí)行結(jié)果決定是否執(zhí)行，以提高指令執(zhí)行的效率。2.3.1ARM簡(jiǎn)介4.ARM技術(shù)的突出成果

引入新穎的“Thumb”壓縮指令格式，降低了小型系統(tǒng)的成本和電源消耗；

ARM9、ARM10、StrongARM和ARM11等系列處理器的開發(fā)，顯著提高了ARM的性能，使得ARM技術(shù)在面向高端數(shù)字音頻、視頻處理等多媒體產(chǎn)品的應(yīng)用中更加廣泛；先進(jìn)的軟件開發(fā)和調(diào)試環(huán)境加快用戶產(chǎn)品的開發(fā)進(jìn)程；廣泛的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟使ARM的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域更加廣闊；嵌入在復(fù)雜SoC中、基于ARM核的調(diào)試系統(tǒng)代表著當(dāng)今片上調(diào)試技術(shù)的前沿。

2.3.1ARM簡(jiǎn)介ARM的發(fā)展歷程ARM的市場(chǎng)地理分部2.3ARM處理器基礎(chǔ)2.3.1ARM簡(jiǎn)介

2.3.2ARM處理器系列2.3.3ARM處理器體系結(jié)構(gòu)2.3.4ARM處理器應(yīng)用選型

2.3.2ARM處理器系列

ARM7微處理器系列

ARM9微處理器系列

ARM9E微處理器系列

ARM10微處理器系列

SecurCore微處理器系列

StrongARM微處理器系列

Xscale處理器2.3ARM處理器基礎(chǔ)1.ARM7微處理器系列

ARM7系列微處理器為低功耗的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系列微處理器的主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)椋?.3.2ARM處理器系列工業(yè)控制

Internet設(shè)備網(wǎng)絡(luò)和調(diào)制解調(diào)器設(shè)備移動(dòng)電話

…1.ARM7微處理器系列

ARM7微處理器系列具有如下特點(diǎn)：2.3.2ARM處理器系列具有嵌入式ICE－RT邏輯，調(diào)試開發(fā)方便。極低的功耗，適合對(duì)功耗要求較高的應(yīng)用。能夠提供0.9MIPS/MHz的三級(jí)流水線結(jié)構(gòu)。代碼密度高并兼容16位的Thumb指令集。對(duì)操作系統(tǒng)的支持廣泛。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。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。1.ARM7微處理器系列

ARM7系列微處理器的組成2.3.2ARM處理器系列1.ARM7微處理器系列

ARM7TDMI

ARM7TMDI是目前使用最廣泛的32位嵌入式RISC處理器，屬于低端ARM處理器核。ARM7TMDI的名稱含義為：2.3.2ARM處理器系列

ARM7 32位ARM體系結(jié)構(gòu)4T版本，

ARM632位整型核的3V兼容的版本

T

支持16為壓縮指令集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)1.ARM7微處理器系列ARM7TDMI-S

2.3.2ARM處理器系列

ARM7TMDI的可綜合（Synthesizable）版本（軟核）；最適用于可移植性和靈活性為關(guān)鍵的現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)。1.ARM7微處理器系列

ARM720TARM720T是在ARM7TMDI處理器核的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)8KB的指令和數(shù)據(jù)混合的Cache。外部存儲(chǔ)器和外圍器件通過AMBA總線主控單元訪問，同時(shí)還集成了寫緩沖器以及全性能的MMU。ARM720T最適合用于低功耗和體積為關(guān)鍵的應(yīng)用。2.3.2ARM處理器系列2.ARM9微處理器系列

ARM9系列微處理器是在高性能和低功耗特性方面最佳的硬件宏單元。ARM9將流水線級(jí)數(shù)從ARM7的3級(jí)增加到5級(jí)，并使用指令于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開的哈佛（Harvard）體系結(jié)構(gòu)。在相同工藝條件下，ARM9TMDI的性能近似為ARM7TMDI的2倍。

ARM9系列微處理器的主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)椋阂婀芾?、無線設(shè)備、儀器儀表、安全系統(tǒng)、機(jī)頂盒、高端打印機(jī)、PDA、網(wǎng)絡(luò)電腦、數(shù)字照相機(jī)和數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等。2.3.2ARM處理器系列

ARM9微處理器系列具有如下特點(diǎn)：2.3.2ARM處理器系列

5級(jí)整數(shù)流水線，指令執(zhí)行效率更高。提供1.1MIPS/MHz的哈佛結(jié)構(gòu)。支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。支持32位的高速AMBA總線接口。全性能的MMU，支持多種主流嵌入式操作系統(tǒng)。

MPU支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。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。2.ARM9微處理器系列2.ARM9微處理器系列

ARM9系列微處理器的組成2.3.2ARM處理器系列3.ARM9E微處理器系列

ARM9E系列微處理器為可綜合處理器，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，極大的減少了芯片的面積和系統(tǒng)的復(fù)雜程度。ARM9E系列微處理器提供了增強(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系列微處理器廣泛應(yīng)用于硬盤驅(qū)動(dòng)器和DVD播放器等海量存儲(chǔ)設(shè)備、調(diào)制解調(diào)器和軟調(diào)制解調(diào)器、PDA、店面終端、MPEGMP3音頻譯碼器、語音識(shí)別與合成，以及包括巡航控制和反鎖剎車等自動(dòng)控制解決方案。2.3.2ARM處理器系列

ARM9E微處理器系列具有如下特點(diǎn)：2.3.2ARM處理器系列支持DSP指令集，適合需要高速數(shù)字信號(hào)處理的場(chǎng)合。提供1.1MIPS/MHz的5級(jí)整數(shù)流水線和哈佛結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行效率更高。支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。支持32位的高速AMBA總線接口。支持VFP9浮點(diǎn)處理協(xié)處理器。全性能的MMU，支持WindowsCE、Linux、PalmOS等多種主流嵌入式操作系統(tǒng)。

MPU支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。支持?jǐn)?shù)據(jù)Cache和指令Cache，有更高的指令和數(shù)據(jù)處理能力。主頻最高可達(dá)300MIPS。3.ARM9E微處理器系列3.ARM9E微處理器系列

ARM9E系列微處理器的組成2.3.2ARM處理器系列4.ARM10微處理器系列

ARM10系列微處理器屬于ARM處理器核中的高端處理器核，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，在同樣時(shí)鐘頻率下，ARM10的性能提高了近50％。同時(shí)，ARM10系列微處理器采用了兩種先進(jìn)的節(jié)能方式，使其功耗極低。

ARM10系列微處理器專為數(shù)字機(jī)頂盒、管理器（organizer）和智能電話等高效手提設(shè)備而設(shè)計(jì)，并為復(fù)雜的視頻游戲機(jī)和高性能打印機(jī)提供高級(jí)的整數(shù)和浮點(diǎn)運(yùn)算能力。2.3.2ARM處理器系列4.ARM10微處理器系列

ARM10微處理器系列具有如下特點(diǎn)：2.3.2ARM處理器系列支持DSP指令集。

6級(jí)整數(shù)流水線，指令執(zhí)行效率更高。支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。支持32位的高速AMBA總線接口。支持VFP10浮點(diǎn)處理協(xié)處理器。全性能的MMU，支持多種主流嵌入式操作系統(tǒng)。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。主頻最高可達(dá)400MIPS。內(nèi)嵌并行讀/寫操作部件。4.ARM10微處理器系列

ARM10系列微處理器的組成2.3.2ARM處理器系列5.SecurCore微處理器系列

SecurCore系列微處理器專為安全需要而設(shè)計(jì)，提供了完善的32位RISC技術(shù)的安全解，決方案具有特定的抗篡改（resisttampering）和反工程（reverseengineering）特性。

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(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系列微處理器主要應(yīng)用于一些對(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。2.3.2ARM處理器系列

SecurCore系列微處理器除了具有ARM體系結(jié)構(gòu)各種主要特點(diǎn)外，還在系統(tǒng)安全方面具有如下的特點(diǎn)：2.3.2ARM處理器系列帶有靈活的保護(hù)單元，以確保操作系統(tǒng)和應(yīng)用數(shù)據(jù)的安全。采用軟內(nèi)核技術(shù)，防止外部對(duì)其進(jìn)行掃描探測(cè)?？杉捎脩糇约旱陌踩匦院推渌麉f(xié)處理器。5.SecurCore微處理器系列5.SecurCore微處理器系列

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(yīng)用場(chǎng)合。2.3.2ARM處理器系列6.StrongARM微處理器系列

1995年，ARM、Apple和DEC公司聯(lián)合聲明將開發(fā)一種應(yīng)用于PDA的高性能、低功耗、基于ARM體系結(jié)構(gòu)的StrongARM微處理器。

1998年Intel公司接管Digital半導(dǎo)體公司到現(xiàn)在，采用了同樣的技術(shù)，并且進(jìn)一步考慮了功耗效率，設(shè)計(jì)了StrongARMSA－110，并成為高性能嵌入式微處理器設(shè)計(jì)的一個(gè)里程碑。2.3.2ARM處理器系列6.StrongARM微處理器系列

StrongARMSA-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)。

IntelStrongARM處理器是便攜式通訊產(chǎn)品和消費(fèi)類電子產(chǎn)品的理想選擇，已成功應(yīng)用于康柏的iPAQH3600PocketPC、惠普的JonadaHandheldPC和Java技術(shù)支持的Palmtop掌上電腦等多種產(chǎn)品中。2.3.2ARM處理器系列

StrongARM的主要特點(diǎn)有：2.3.2ARM處理器系列具有寄存器前推的5級(jí)流水線；除了64位乘法、多寄存器傳送和存儲(chǔ)器/寄存器交換指令外，其他所有普通指令均是單周期指令；低功耗的偽靜態(tài)操作；不論處理器的時(shí)鐘頻率有多高，乘法器均以每周期計(jì)算12位、用1～3個(gè)時(shí)鐘周期計(jì)算兩個(gè)3位操作數(shù)的乘法；使用系統(tǒng)控制協(xié)處理器來管理片上MMU和Cache資源，并且集成了JTAG邊界掃描測(cè)試電路以支持印制板連接測(cè)試。6.StrongARM微處理器系列7.Xscale處理器

IntelXscale處理器基于ARMv5TE體系結(jié)構(gòu)，是一款全性能、高性價(jià)比、低功耗的處理器。它提供了從手持互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備到互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)品的全面解決方案，支持16位的Thumb指令和DSP指令集。基于Xscale技術(shù)開發(fā)的系列微處理器，由于超低功率與高性能的組合使其適用于廣泛的互聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備，在因特網(wǎng)的各個(gè)應(yīng)用環(huán)節(jié)中表現(xiàn)出了令人滿意的處理性能。

IntelXscale微處理器結(jié)構(gòu)對(duì)于諸如數(shù)字移動(dòng)電話、個(gè)人數(shù)字助理和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品等廣泛的市場(chǎng)都具有關(guān)鍵的優(yōu)點(diǎn)。2.3.2ARM處理器系列

Xscale處理器是Intel目前主要推廣的一款A(yù)RM微處理器，處理速度是StrongARM處理速度的2倍。2.3.2ARM處理器系列數(shù)據(jù)Cache的容量從8KB增加到32KB；指令Cache的容量從16KB增加到32KB；微小數(shù)據(jù)Cache的容量從512字節(jié)增加到2KB；為提高指令執(zhí)行速度，超級(jí)流水線結(jié)構(gòu)由5級(jí)增至7級(jí)；新增乘法/加法器MAC和特定的DSP型協(xié)處理器CP0，以提高對(duì)多媒體技術(shù)的支持；動(dòng)態(tài)電源管理，使時(shí)鐘頻率可達(dá)1GHz、功耗低至1.6W，并能達(dá)到1,200MIPS。7.Xscale處理器2.3ARM處理器基礎(chǔ)2.3.1ARM簡(jiǎn)介

2.3.2ARM處理器系列2.3.3ARM處理器體系結(jié)構(gòu)2.3.4ARM處理器應(yīng)用選型

2.3.3ARM處理器體系結(jié)構(gòu)

ARM體系結(jié)構(gòu)的基本版本

ARM體系結(jié)構(gòu)的演變

ARM/Thumb體系結(jié)構(gòu)版本命名2.3ARM處理器基礎(chǔ)1.ARM體系結(jié)構(gòu)的基本版本為了精確表述在每個(gè)ARM實(shí)現(xiàn)中所使用的指令集，迄今為止，將其定義了6種主要版本，分別用版本號(hào)1～6表示。2.3.2ARM處理器系列2.3.3ARM處理器體系結(jié)構(gòu)

ARM體系結(jié)構(gòu)版本v1對(duì)第一個(gè)ARM處理器進(jìn)行描述，從未用于商用產(chǎn)品。

版本v1的地址空間是26位，僅支持26位尋址空間，不支持乘法或協(xié)處理器指令?；谠擉w系結(jié)構(gòu)的ARM處理器應(yīng)用在BBC微計(jì)算機(jī)中，雖然這種微型計(jì)算機(jī)制造得很少，但它標(biāo)志著ARM成為第一個(gè)商用單片RISC微處理器。2.3.3ARM處理器體系結(jié)構(gòu)

1.ARM體系結(jié)構(gòu)的基本版本⑴版本v1

版本v1包括下列指令：2.3.3ARM處理器體系結(jié)構(gòu)

基本的數(shù)據(jù)處理指令（不包括乘法指令）；基于字節(jié)、字和半字的加載/存儲(chǔ)（Load/Store）指令；分支（Branch）指令，包括分支與鏈接指令；軟件中斷指令（SWI），用于進(jìn)行操作系統(tǒng)調(diào)用。1.ARM體系結(jié)構(gòu)的基本版本⑴版本v1

版本v1現(xiàn)已廢棄不用。以ARMv2為核的Acorn公司的Archimedes和A3000批量銷售，它使用了版本v2的體系結(jié)構(gòu)。

版本v2仍然只支持26位的地址空間，但包含了對(duì)32位結(jié)果的乘法指令和協(xié)處理器的支持。版本v2a是版本v2的變種，ARM3芯片是采用了版本v2a和第一片具有片上Cache的ARM處理器。2.3.3ARM處理器體系結(jié)構(gòu)

1.ARM體系結(jié)構(gòu)的基本版本⑵版本v2版本v2（2a）通過增加下列指令對(duì)體系結(jié)構(gòu)版本v1進(jìn)行了擴(kuò)展，即：2.3.3ARM處理器體系結(jié)構(gòu)

乘法和乘加指令；支持協(xié)處理器的指令；對(duì)于快速中斷（FIQ）模式，提供了2個(gè)以上的影子寄存器；

SWP指令和SWPB指令。1.ARM體系結(jié)構(gòu)的基本版本⑵版本v2版本v2現(xiàn)已廢棄不用。

ARM作為獨(dú)立的公司，在1990年設(shè)計(jì)的第一個(gè)微處理器ARM6采用的是版本v3的體系結(jié)構(gòu)。版本v3作為IP核、獨(dú)立的處理器（ARM60）、具有片上高速緩存、MMU核寫緩沖的集成CPU（用于AppleNewton的ARM600、ARM610）所采納的體系結(jié)構(gòu)而被大量銷售。版本v3的變種版本有版本v3G和版本v3M。2.3.3ARM處理器體系結(jié)構(gòu)

1.ARM體系結(jié)構(gòu)的基本版本⑶版本v3版本v3較以前的版本發(fā)生了如下的變化：2.3.3ARM處理器體系結(jié)構(gòu)

地址空間擴(kuò)展到32位；分開的當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器CPSR和程序狀態(tài)寄存器SPSR；增加了兩種異常模式；增加了2個(gè)指令（MRS和MSR；修改了過去用于從異常（exception）返回的指令的功能。1.ARM體系結(jié)構(gòu)的基本版本⑶版本v3

體系結(jié)構(gòu)版本v4是第一個(gè)具有全部正式定義的體系結(jié)構(gòu)版本，它增加了有符號(hào)、無符號(hào)半字和有符號(hào)字節(jié)的加載/存儲(chǔ)指令，并為結(jié)構(gòu)定義的操作預(yù)留一些SWI空間；引入了系統(tǒng)模式，并將幾個(gè)未使用指令空間的角落作為未定義指令使用。在體系結(jié)構(gòu)版本4的變種版本4T中，引入了16位Thumb壓縮形式的指令集。2.3.3ARM處理器體系結(jié)構(gòu)

1.ARM體系結(jié)構(gòu)的基本版本⑷版本v4與版本v3相比，版本4增加了下列指令：2.3.3ARM處理器體系結(jié)構(gòu)

有符號(hào)、無符號(hào)的半字和有符號(hào)字節(jié)的Load和Store指令；增加了T變種；增加了處理器的特權(quán)模式。1.ARM體系結(jié)構(gòu)的基本版本⑷版本v4版本v4不再?gòu)?qiáng)制要求與26位地址空間兼容，而且還清楚的指明了哪些指令將會(huì)引起未定義指令異常。

體系結(jié)構(gòu)版本v5通過增加一些指令以及對(duì)現(xiàn)有指令的定義略作修改，對(duì)版本v4進(jìn)行了擴(kuò)展。版本v5主要由兩個(gè)變種版本v5T和v5TE組成。

ARM10處理器是最早支持版本v5T（很快也會(huì)支持v5TE版本）的處理器。2.3.3ARM處理器體系結(jié)構(gòu)

1.ARM體系結(jié)構(gòu)的基本版本⑸版本v5版本v5T是體系結(jié)構(gòu)版本4T的擴(kuò)展集，加入了BLX、CLZ和BRK指令。為了簡(jiǎn)化那些同時(shí)需要控制器和信號(hào)處理功能的系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)，版本v5TE在體系結(jié)構(gòu)版本v5T的基礎(chǔ)上增加了信號(hào)處理指令集，并首先在ARM9E-S可綜合核中實(shí)現(xiàn)。2.3.3ARM處理器體系結(jié)構(gòu)

1.ARM體系結(jié)構(gòu)的基本版本⑸版本v5版本v5主要有如下擴(kuò)展：2.3.3ARM處理器體系結(jié)構(gòu)

提高了T變種中ARM/Thumb之間切換的效率；讓非T變種和T變種一樣，使用相同的代碼生成技術(shù)；增加了一個(gè)計(jì)數(shù)前導(dǎo)零（CountLeadingZeroes，CLZ）指令，該指令允許更有效的整數(shù)除法和中斷優(yōu)先程序；增加了軟件斷點(diǎn)(BKPT)指令；為協(xié)處理器設(shè)計(jì)提供了更多的可選則的指令；對(duì)由乘法指令如何設(shè)置條件碼標(biāo)志位進(jìn)行了嚴(yán)密的定義。1.ARM體系結(jié)構(gòu)的基本版本⑸版本v5

ARM體系結(jié)構(gòu)版本v6是2001年發(fā)布的。新架構(gòu)版本v6在降低耗電量的同時(shí)，強(qiáng)化了圖形處理性能。通過追加了能夠有效進(jìn)行多媒體處理的SIMD功能，將其對(duì)語音及圖像的處理功能提供到原機(jī)型的4倍。版本v6首先在2002年春季發(fā)布的ARM11處理器中使用。除此之外，版本v6還支持多種微處理器內(nèi)核。2.3.3ARM處理器體系結(jié)構(gòu)

1.ARM體系結(jié)構(gòu)的基本版本⑹版本v6ARM體系結(jié)構(gòu)更新2.3.3ARM處理器體系結(jié)構(gòu)

ARM體系結(jié)構(gòu)的基本版本

ARM體系結(jié)構(gòu)的演變

ARM/Thumb體系結(jié)構(gòu)版本命名2.3ARM處理器基礎(chǔ)

Thumb指令集是ARM指令集的重編碼子集。

Thumb指令（16位）是ARM指令（32位）的一半長(zhǎng)，因此使得Thumb指令集可得到比ARM指令集更高的代碼密度，這對(duì)于降低產(chǎn)品成本是非常有意義的。對(duì)于支持Thumb指令的ARM體系版本，一般通過增加字符T來表示（如v4T）。2.3.3ARM處理器體系結(jié)構(gòu)

2.ARM體系結(jié)構(gòu)的演變

⑴Thumb指令集（T變種）

ARM指令集的長(zhǎng)乘法指令是一種生成64位相乘結(jié)果的乘法指令。與乘法指令相比，M變種增加了以下兩條指令：2.3.3ARM處理器體系結(jié)構(gòu)

2.ARM體系結(jié)構(gòu)的演變⑵長(zhǎng)乘法指令（M變種）一條指令完成32位整數(shù)乘以32位整數(shù)，生成64位整數(shù)的長(zhǎng)乘操作（即32×32→64）；另一條指令完成32位整數(shù)乘以32位整數(shù)，然后再加上一個(gè)32位整數(shù)，生成64位整數(shù)的長(zhǎng)乘加操作（即32×32＋32→64）。需要這種長(zhǎng)乘法的場(chǎng)合M變種非常適合。但是，M變種包含的指令意味著乘法器須相當(dāng)大，因此，在對(duì)芯片尺寸要求苛刻而乘法性能不太重要的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中，就不適合添加這種相當(dāng)耗費(fèi)芯片面積的M變種。

M變種首先在ARM體系版本v3中引入。對(duì)于支持長(zhǎng)乘法ARM指令的ARM體系版本，使用字符M來表示。2.3.3ARM處理器體系結(jié)構(gòu)

2.ARM體系結(jié)構(gòu)的演變⑵長(zhǎng)乘法指令（M變種）

ARM指令集的E變種包括一些附加指令。在完成典型的DSP算法方面，這些附件指令可以增強(qiáng)ARM處理器的性能。它們包括：2.3.3ARM處理器體系結(jié)構(gòu)

2.ARM體系結(jié)構(gòu)的演變

⑶增強(qiáng)型DSP指令（E變種）幾條新的完成16位數(shù)據(jù)乘法和乘加操作的指令。實(shí)現(xiàn)飽和的帶符號(hào)算術(shù)運(yùn)算的加法和減法指令。進(jìn)行雙字?jǐn)?shù)據(jù)操作的指令，包括加載寄存器指令LDRD、存儲(chǔ)寄存器指令STRD和協(xié)處理器寄存器傳送指令MCRR與MRRC。

Cache預(yù)加載指令PLD。

E變種首先在ARM體系版本v5T中使用，用字符E表示。在版本v5以前的版本以及在非M變種和非T變種的版本中，E變種是無效的。對(duì)于一些早期ARM體系的E變種中，其實(shí)現(xiàn)省略了LDRD、STRD、MCRR、MRRC和PLD指令。這種E變種記作ExP，其中x表示缺少，P代表上述的幾種指令。2.3.3ARM處理器體系結(jié)構(gòu)

2.ARM體系結(jié)構(gòu)的演變

⑶增強(qiáng)型DSP指令（E變種）

ARM的Jazelle技術(shù)將Java語言的優(yōu)勢(shì)和先進(jìn)的32位RISC芯片完美的結(jié)合在一起。

Jazelle技術(shù)提供了Java加速功能，使得Java代碼的運(yùn)行速度比普通Java虛擬機(jī)提高了8倍，而功耗降低了80％。2.3.3ARM處理器體系結(jié)構(gòu)

2.ARM體系結(jié)構(gòu)的演變⑷Java加速器Jazelle（J變種）

Jazelle技術(shù)使得程序員可以在一個(gè)單獨(dú)的處理器上同時(shí)允許Java應(yīng)用程序、已經(jīng)建立好的操作系統(tǒng)和中間件以及其他應(yīng)用程序。這樣使得一些必須用到協(xié)處理器和雙處理器的場(chǎng)合可以使用單處理器代替，在提供高性能的同時(shí)保證低功耗和低成本。

J變種首先在ARM體系版本vTEJ中使用，用字符J表示。2.3.3ARM處理器體系結(jié)構(gòu)

2.ARM體系結(jié)構(gòu)的演變⑷Java加速器Jazelle（J變種）

ARM媒體功能擴(kuò)展SIMD技術(shù)為嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)提供了高性能的音頻和視頻處理能力，它可使微處理器的音頻和視頻處理性能提高4倍。

ARM的SIMD媒體功能擴(kuò)展為這些應(yīng)用系統(tǒng)提供了解決方案，它為包括音頻和視頻處理在內(nèi)的應(yīng)用系統(tǒng)提供了優(yōu)化功能。2.3.3ARM處理器體系結(jié)構(gòu)

2.ARM體系結(jié)構(gòu)的演變⑸ARM媒體功能擴(kuò)展（SIMD變種）其主要特點(diǎn)包括：2.3.3ARM處理器體系結(jié)構(gòu)

2.ARM體系結(jié)構(gòu)的演變

⑸ARM媒體功能擴(kuò)展（SIMD變種）將處理器的音頻和視頻處理性能提高了2～4倍；可同時(shí)進(jìn)行2個(gè)16位操作數(shù)