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1、第第1章补充章补充教学目的和要求：ARM的历史的历史ARM处理器处理器应用领域和特点应用领域和特点主流的主流的ARM处理器介绍处理器介绍Cortex-A处理器简介处理器简介一、一、ARM公司的历史公司的历史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、一、ARM公司的历史公司的历史1978年年12月月5日，物理学家赫尔曼日，物理学家赫尔曼豪泽豪泽（Hermann Hauser）和工程师）和工程师Chris Curry，在，在英国剑桥创办了英国剑桥创办了CPU公司（公司（Cambridge Processing Unit），主要业务
2、是为当地市场供应），主要业务是为当地市场供应电子设备。电子设备。1979年，年，CPU公司改名为公司改名为Acorn计算机公司。计算机公司。起初，起初，Acorn公司打算使用摩托罗拉公司的公司打算使用摩托罗拉公司的16位位芯片，但是发现这种芯片太慢也太贵。芯片，但是发现这种芯片太慢也太贵。一台售价一台售价500英镑的机器，不可能使用价格英镑的机器，不可能使用价格100英镑的英镑的CPU！他们转而向他们转而向Intel公司索要公司索要80286芯片的设计资料，芯片的设计资料，但是遭到拒绝，于是被迫自行研发。但是遭到拒绝，于是被迫自行研发。一、一、ARM公司的历史公司的历史1985年，年，Roge
3、r Wilson和和Steve Furber设计了他们设计了他们自己的第一代自己的第一代32位、位、6M Hz的处理器，用它做出的处理器，用它做出了一台了一台RISC指令集的计算机，简称指令集的计算机，简称ARM（Acorn RISC Machine）。这就是）。这就是ARM这个名字的由来。这个名字的由来。RISC的全称是的全称是精简指令集计算机精简指令集计算机（reduced instruction set computer），它支持的指令比较简），它支持的指令比较简单，所以功耗小、价格便宜，特别合适移动设备。单，所以功耗小、价格便宜，特别合适移动设备。早期使用早期使用ARM芯片的典型设备，
4、就是苹果公司的芯片的典型设备，就是苹果公司的牛顿牛顿PDA。一、一、ARM公司的历史公司的历史1990年年11月月27日日，Acorn公公司司正正式式改改组组为为ARM计计算算机机公公司司。苹苹果果公公司司出出资资150万万英英镑镑，芯芯片片厂厂商商VLSI出出资资25万万英英镑镑，Acorn本本身身则则以以150万万英英镑镑的的知知识识产产权权和和12名名工工程程师师入入股股。公公司司的的办办公公地地点点非非常简陋，就是一个谷仓。常简陋，就是一个谷仓。公公司司成成立立后后，业业务务一一度度很很不不景景气气，工工程程师师们们人人心心惶惶惶惶，担担心心将将要要失失业业。由由于于缺缺乏乏资资金金，
5、ARM做做出出了了一一个个意意义义深深远远的的决决定定：自自己己不不制制造造芯芯片片，只只将将芯芯片片的的设设计计方方案案授授权权（licensing）给给其其他他公公司司，由由它它们们来来生生产产。正正是是这这个个模模式式，最最终终使使得得ARM芯芯片片遍遍地地开开花花，将将封封闭闭设设计计的的Intel公公司司置置于于人人民民战战争争的汪洋大海。的汪洋大海。一、一、ARM公司的历史公司的历史20世世纪纪90年年代代，ARM公公司司的的业业绩绩平平平平，处处理理器器的的出出货货量量徘徘徊徊不不前前。但但是是进进入入21世世纪纪之之后后，由由于于手手机机的的快快速速发发展展，出出货货量量呈呈现
6、现爆爆炸炸式式增增长长，ARM处处理理器器占占领领了了全全球球手手机机市市场场。2006年年，全全球球ARM芯芯片片出出货货量量为为20亿片，亿片，2010年预计将达到年预计将达到45亿片。亿片。2007年年底底，ARM的的雇雇员员总总数数为为1728人人，持持有有专专利利700项项（另另有有900项项正正在在申申请请批批准准中中），全全球球分分支支机机构构31家，合作伙伴家，合作伙伴200家，年收入家，年收入2.6亿英镑。亿英镑。展展望望未未来来，即即使使Intel成成功功地地实施施了了Atom战略略，将将x86芯芯片片的的功功耗耗和和价价格格大大大大降降低低，它它与与ARM竞争争也也将将非
7、非常常吃吃力力。因因为ARM的的商商业模模式式是是开开放放的的，任任何何厂厂商商都都可可以以购买授授权，所所以以未未来来并并不不是是Intel vs. ARM，而是，而是Intel vs. 世界上所有其他半世界上所有其他半导体公司。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(AdvancedRISCMachines)处理器是一处理器是一种低功耗高性能的种低功耗高性能的32位位RISC（精简指令集）处理（精简指令集）处理器器，ARM也是一个公司的名字。也是一个公司的名字。ARM处理器就处理器就是由是由ARM公司设计。公司设计。ARM处
8、理器处理器目前，采用目前，采用ARM技术知识产权技术知识产权（IP）核的微处理器，即我们通常所说的）核的微处理器，即我们通常所说的ARM微微处理器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通处理器，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，信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于基于ARM技术的微处理器应用约占据了技术的微处理器应用约占据了32位位RISC微处理器微处理器75以上的市场份额，以上的市场份额，ARM技术技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。正在逐步渗入到我们生活的各个方面。什么是ARM处理器v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
9、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处理器的特点处理器的特点ARM处理器的三大特点是：耗电少功能强、处理器的三大特点是：耗电少功能强、16位位/32位双位双指指令集令集和合作伙伴众多。具体来说，有以下六和合作伙伴众多。具体来说，有以下六个主要特点：个主要特点：体积小、低功耗、低成本、高性能；体积小、低功耗、低成本、高性能；支持支持Thumb（16位）位）/ARM（3
10、2位）双指令集，位）双指令集，能很好的兼容能很好的兼容8位位/16位器件；位器件；大量使用寄存器，指令执行速度更快；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；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；寻址方式灵活简单，执行效率高；指令长度固定。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，已推出的与业界最广泛的体系相结合，已推出的一系列一系列20多种处理器可以解决几乎每个应用难多种处理器可以解决几乎每个应用难题题，是真正意义上的是真正意义上的The Architecture for the Digital World（数字
11、世界的体系结构）。（数字世界的体系结构）。目前，目前，ARM微处理器宏伟而丰富的体系主要微处理器宏伟而丰富的体系主要包括以下四个部分：包括以下四个部分：ARM Cortex应用程序处理器；应用程序处理器；ARM Cortex嵌入式处理器；嵌入式处理器；经典经典ARM处理器；处理器；ARM专家处理器。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后缀变量含义含义x系列号，如ARM7、ARM9等y存储管理/保护单元ZCacheT支持16位压缩指令集ThumbD拥有JTAG调试器
12、，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应用程序处理器应用程序处理器作为目前作为目前ARM处理器中最高端的系列，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应用程序处理器在高级工艺节点中已经可实现高达实现高达2GHz+标准频率的卓越性能标准频率的卓越性能。主要包括。主要包括Cortex-A系列：系列：Cortex-A5、Cortex-A8、Cortx-A9、Cortex-A15。卓越性能表现在：。卓越性能表现在：移动移动Intern
13、et的理想选择的理想选择高性能高性能多核技术多核技术高级扩展高级扩展主流的ARM处理器介绍Cortex-A处理器的应用场合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 区别于区别于Cortex应用程序处理应用程序处理器对操作系统和移动器对操作系统和移动Internet的的支持偏向，支持偏向，Cortex嵌入式处理嵌入式处理器旨在为各种不同的市场提供器旨在为各种不同的市场提供服务。服务。包括包括Cortex-M系列和系列和Cortex-R系列。系列。Cortex-M系列系列面向具有面向具有确定性的微控制器应用的成确定性的微控制器应用的成本敏感型解决方案；本敏感型解决方案
14、；Cortex-R系列系列面向实时面向实时应用的卓越性能。应用的卓越性能。主流的ARM处理器介绍Cortex-M系列基本特征：系列基本特征：成本低成本低能耗低可兼容性好能耗低可兼容性好易于使用易于使用主流的ARM处理器介绍ARM Cortex嵌入式处理器嵌入式处理器应用领域应用领域Cortex-R系列基本特征系列基本特征快速快速确定性确定性安全安全成本效益成本效益Cortex-M系列应用领域Cortex-R系列应用领域主流的ARM处理器介绍经典经典ARM处理器处理器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
15、多的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。成本敏感型解决方案。经典经典ARM处理器包括我们耳熟能详的处理器包括我们耳熟能详的ARM7、ARM9、ARM11三个系列：三个系列：ARM7系列系列面向普通应用的经典处理器；面向普通应用的经典处理器；ARM9系列系列基于基于ARMv5体系结构的常用处理器；体系结构的常用处理器；ARM11系列系列基于基于ARMv6体系结构的高性能处理体系结构的高性能处理器。器。主流的ARM处理器介绍ARM9处理器的特点处理器的特点1、流水线、流水线 对嵌入式
16、系统设计者来说，硬件通常是第对嵌入式系统设计者来说，硬件通常是第一考虑的因素。每一级流水都对应一考虑的因素。每一级流水都对应CPU的一个的一个时钟周期，如果一级流水中的逻辑过于复杂，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，造成周期变长，造成CPU的主频不能提升。所以流的主频不能提升。所以流水线的拉长，有利于水线的拉长，有利于CPU主频的提高。主频的提高。ARM7使用三级流水线、使用三级流水线、ARM9使用五级流水线。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：级流
17、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。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。译码：对取出的指令进行译码。执行：把一个操作数移位，产生执行：把一个操作数移位，产生ALU的结果。的结果。执行：把一个操作数移位，产生执行：把一个操作数移位，产生ALU的结果。的结果。缓冲：如果需要则访问数据存储器，否则缓冲：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。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，包回写：将指令产生的
18、结果回写到寄存器堆，包括从存储器取出的数据。括从存储器取出的数据。2、哈佛结构、哈佛结构 根据计算机的存储器结构及其总线连接形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式，计算机系统可以分为冯诺依曼结构和哈佛诺依曼结构和哈佛结构。结构。ARM9采用的就是哈佛结构，而采用的就是哈佛结构，而ARM7采用的则是冯采用的则是冯诺依曼结构。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在RISC架构的处理器中大约有架构的处理器中大约有30%的指令是的指令是Load-Store指令，而采指令，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。用哈佛结构将大大提升这两个
19、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引入高速缓存和写缓存 一一般来说处理器的处理速度远远高于存储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器的访问速度，而当存储器访问成为系统性高速缓存（速缓存（Cache）和写缓存（）和写缓存（Write Buffer）可）可以很好地解决这个问题，它们存储了最近常用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，以供的代码和数据，以供CPU快速存储。快速存储。出现出现瓶颈瓶颈时，处理器再快也无法发挥作用。时，处理器再快也无法发挥作用。主流的ARM处理器介绍4、支持支持MMU MMU是
20、存储器管理单元的缩写，是用来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管理虚拟内存系统的器件。MMU通常是通常是CPU的一部分，本身有少量存储空间存放从虚拟地的一部分，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。址到物理地址的匹配表。MMU的主要功能如下：的主要功能如下：将虚地址转换成物理地址。将虚地址转换成物理地址。控制存储器存取允许，控制存储器存取允许，MMU关掉时，虚地关掉时，虚地址直接输出到物理地址总线。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。专家处理器旨在满足特定市场的苛刻需求。其主要分为其主要分
21、为SecurCore和和FPGA内核两个系列：内核两个系列： SecurCore面向高安全性应用的处理器；面向高安全性应用的处理器； FPGA内核内核面向面向FPGA的处理器。的处理器。（1）SecurCore系列处理器系列处理器SecurCore系列微处理器专为安全需求而设计，提系列微处理器专为安全需求而设计，提供了完善的供了完善的32位位RISC技术的安全解决方案，技术的安全解决方案，除了除了具有具有ARM体系结构的低功耗、高性能的特点外，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。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：在系统安全方
22、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带有灵活的保护单元，以确保操作系统和应用数据的安全；据的安全； 采用软内核技术，防止外部对其进行扫描探测；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。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。络、移动媒体和认证系统等。主流的ARM处理器介绍 易于将易于将Cortex-M1处理器设计迁移到更新和最有效的处理
23、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受可提供不同性能点解决方案的强大ARM处理器路线处理器路线图的支持；图的支持； ARM体系结构已在数十亿体系结构已在数十亿ARM Powered设备中经过验设备中经过验证。证。ARM Cortex-M1处理器主要应用在通信、广播、汽车、处理器主要应用在通信、广播、汽车、消费品、军事消费品、军事/航天和工业等领域。航天和工业等领域。主流的ARM处理器介绍（2）FPGAARM Cortex-M1处理器满足处理器满足FPGA应用的高质量、标应用的高质量、标准处理器体系结构的需要，支持范围广泛的准处理器体系结构的需要，支持范围广泛
24、的FPGA设备，设备，包括那些来自包括那些来自Actel、Altera和和Xilinx的设备。的设备。在在FPGA中使用中使用ARM Cortex-M1有如下优点：有如下优点： 全部使用标准处理器体系结构；全部使用标准处理器体系结构； 供应商独立性供应商独立性Cortex-M1处理器支持所有主要处理器支持所有主要FPGA供应商；供应商； 软件和工具可以在软件和工具可以在FPGA和和ASIC/ASSP之间重用；之间重用； 从从FPGA到到ASIC的简单迁移路径；的简单迁移路径； 受最大的体系受最大的体系ARM Connected Community的支持；的支持；主流的ARM处理器介绍其他其他A
25、RM处理器处理器除了除了ARM公司提供的四种类别的公司提供的四种类别的ARM处理器以外，处理器以外，常用的还有常用的还有Intel公司开发的公司开发的Xscale系列和系列和StrongARM系列。系列。（1）Xscale系列系列 Xscale是基于是基于ARMv5TE体系结构的一种内核，体系结构的一种内核，相比于相比于ARM处理器功耗更低，系统伸缩性更好，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。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系列系列 StrongARM系列系列采用采用ARM公司推出的一款公司推出的一款旨在支持旨在支持WinCE3.0-PocketPC系统的系统的RISC（精简（精简指令集）处理器作为内核。指令集）处理器作为内核。优点：优点：StrongARM处理器的性能不错，甚至表现不处理器的性能不错，甚至表现不比新款产品差。比新款产品差。兼容性好。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。是的频率不能得到大的提升。主流的ARM处理器介绍
