第1章补充-ARM历史及处理器概述

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1、第1章补充教学目的和要求： ARM的历史 ARM处理器应用领域和特点 主流的ARM处理器介绍 Cortex-A处理器简介一、ARM公司的历史 ARM公司远离硅谷、位于剑桥 大学的英 国公司，最初没有受到太多的关注。但 居然能将芯片巨人Intel拉下马。 一、ARM公司的历史 1978年12月5日，物理学家赫尔曼豪泽（ Hermann Hauser）和工程师Chris Curry，在英 国剑桥创办了CPU公司（Cambridge Processing Unit），主要业务是为当地市场供应电子设备。 1979年，CPU公司改名为Acorn计算机公司。 起初，Acorn公司打算使用摩托罗拉公司的16

2、位 芯片，但是发现这种芯片太慢也太贵。“一台售价 500英镑的机器，不可能使用价格100英镑的CPU ！“他们转而向Intel公司索要80286芯片的设计资 料，但是遭到拒绝，于是被迫自行研发。一、ARM公司的历史 1985年，Roger Wilson和Steve Furber设计了他们 自己的第一代32位、6M Hz的处理器，用它做出 了一台RISC指令集的计算机，简称ARM（Acorn RISC Machine）。这就是ARM这个名字的由来 。 RISC的全称是“精简指令集计算机“（reduced instruction set computer），它支持的指令比较简 单，所以功耗小、价格

3、便宜，特别合适移动设备 。早期使用ARM芯片的典型设备，就是苹果公司 的牛顿PDA。一、ARM公司的历史 1990年11月27日，Acorn公司正式改组为ARM计 算机公司。苹果公司出资150万英镑，芯片厂商 VLSI出资25万英镑，Acorn本身则以150万英镑的 知识产权和12名工程师入股。公司的办公地点非 常简陋，就是一个谷仓。 公司成立后，业务一度很不景气，工程师们人心 惶惶，担心将要失业。由于缺乏资金，ARM做出 了一个意义深远的决定：自己不制造芯片，只将 芯片的设计方案授权（licensing）给其他公司， 由它们来生产。正是这个模式，最终使得ARM芯 片遍地开花，将封闭设计的In

4、tel公司置于“人民战 争“的汪洋大海。一、ARM公司的历史 20世纪90年代，ARM公司的业绩平平，处理器的出 货量徘徊不前。但是进入21世纪之后，由于手机的 快速发展，出货量呈现爆炸式增长，ARM处理器占 领了全球手机市场。2006年，全球ARM芯片出货量 为20亿片，2010年预计将达到45亿片。 2007年底，ARM的雇员总数为1728人，持有专利 700项（另有900项正在申请批准中），全球分支机 构31家，合作伙伴200家，年收入2.6亿英镑。 展望未来，即使Intel成功地实实施了Atom战战略，将 x86芯片的功耗和价格大大降低，它与ARM竞竞争也 将非常吃力。因为为ARM的商

5、业业模式是开放的，任 何厂商都可以购买购买 授权权，所以未来并不是Intel vs. ARM，而是Intel vs. 世界上所有其他半导导体公司。 什么是ARM处理器 ARM处理器的应用领域和特点 主流的ARM处理器介绍二、ARM处理器概述 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

6、，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。什么是ARM处理器ARM处理器的应用领域和特点 应用领域ARM处理器的应用领域和特点嵌入式领域企业领域家庭领域移动领域 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

7、； 指令长度固定。ARM处理器的应用领域和特点 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。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处理器介绍功能性能 ARM体系结构的命名规则主流的ARM处理器介绍后缀变量含义 x系

8、列号，如ARM7、ARM9等 y存储管理/保护单元 ZCache T支持16位压缩指令集Thumb D拥有JTAG调试器，支持片上调试 M内嵌硬件乘法器（Multiplier） I嵌入式ICE，支持片上断点和调试 E增强指令（基于TDMI） JJazell加速 F向量浮点单元 S可综合版本 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Inter

9、net的理想选择高性能 多核技术 高级扩展主流的ARM处理器介绍 Cortex-A处理器的应用场合主流的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。主流的ARM处理器介绍Cortex-M系列基本特 征： 成本低 能耗低可兼容性 好 易于使用主流的ARM处理器介绍 ARM Corte

10、x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系列应用领域主流的ARM处理器介绍 经典ARM处理器 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 ARM9处理

11、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。主流的ARM处理器介绍主流的ARM处理器介绍 5级流水线的具体内容如下： 取址：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。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

12、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。 2、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。主流的ARM处理器介绍冯诺依曼结构哈佛结构在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 。主流的ARM处理器介绍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

13、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。出现瓶颈 时，处理器再快也无法发挥作用。主流的ARM处理器介绍4、支持MMUMMU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 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F

14、PGA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。主流的ARM处理器介绍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。 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

15、业务、网 络、移动媒体和认证系统等。主流的ARM处理器介绍 易于将Cortex-M1处理器设计迁移到更新和最有效 的 FPGA； 受可提供不同性能点解决方案的强大ARM处理器 路线图的支持； ARM体系结构已在数十亿ARM Powered设备中经 过验证。ARM Cortex-M1处理器主要应用在通信、广播、汽 车、消费品、军事/航天和工业等领域。主流的ARM处理器介绍（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，包括那些来自Actel、Altera和Xilinx 的设备。 在FPGA中使用ARM Corte

16、x-M1有如下优点： 全部使用标准处理器体系结构； 供应商独立性Cortex-M1处理器支持所有主要 FPGA供应商； 软件和工具可以在FPGA和ASIC/ASSP之间重用； 从FPGA到ASIC的简单迁移路径； 受最大的体系ARM Connected Community的 支持；主流的ARM处理器介绍 其他ARM处理器 除了ARM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。主流的ARM处理器介绍（2） StrongARM系列StrongARM系列采