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ARM 微處理器介紹

ARM 微處理器介紹. 基本介紹 -RISC 架構. 1979 年美國加州大學伯克利分校提出了 RISC （ Reduced Instruction Set Computer ， 精簡指令集電腦）的概念， 把著眼點放在了如何使電腦的結構更加簡單合理地提高運算速度上。 RISC 結構優先選取使用頻最高的簡單指令，避免複雜指令；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 架構也還沒有嚴格的定義，一般認為， RISC 架構應具有如下特點：

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  1. ARM微處理器介紹

  2. 基本介紹-RISC架構 • 1979年美國加州大學伯克利分校提出了RISC（Reduced Instruction Set Computer， 精簡指令集電腦）的概念， • 把著眼點放在了如何使電腦的結構更加簡單合理地提高運算速度上。 • RISC結構優先選取使用頻最高的簡單指令，避免複雜指令；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架構也還沒有嚴格的定義，一般認為，RISC架構應具有如下特點： • 採用固定長度的指令格式，指令歸整、簡單、基本定址方式有2～3種。 • 使用單週期指令，便於管線操作執行。 • 大量使用暫存器，資料處理指令只對暫存器進行操作，只有載入/ 存儲指令可以存取記憶體，以提高指令的執行效率。

  3. RISC與CISC架構比較 • 傳統的CISC（Complex Instruction Set Computer，複雜指令集電腦）結構有其固有的缺點，即隨著電腦技術的發展而不斷引入新的複雜的指令集，為支援這些新增的指令，電腦的架構會越來越複雜，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，占整個程式碼的80%。而餘下的80%的指令卻不經常使用，在程式設計中只占20%，顯然，這種結構是不太合理的。

  4. ARM微處理器概述 • ARM（Advanced RISC Machines） • 是一個公司的名字，也是一類微處理器的通稱。 • 1991年ARM公司成立於英國劍橋 • 主要出售晶片設計技術的授權。 • 目前採用ARM技術知識產權（IP）核的微處理器，即我們通常所說的ARM微處理器。 • ARM現在已遍及 • 工業控制 • 消費類電子產品 • 通信系統 • 網路系統 • 無線系統等各類產品市場 • 基於ARM技術的微處理器應用約佔據了32位元RISC微處理器75%以上的市場比例

  5. ARM微處理器特點 • 採用RISC架構的ARM微處理器一般具有如下特點： • 體積小、低功耗、低成本、高性能。 • 支援Thumb（16位）/ARM（32位元）雙指令集，能很好的相容8位/16位器件。 • 大量使用暫存器，指令執行速度更快。 • 大多數資料操作都在暫存器中完成。 • 定址方式靈活簡單，執行效率高。 • 指令長度固定。

  6. ARM核心(Core)架構 – ARM 6 Example • Feature • Three stage pipeline • 32 bit ALU and register

  7. ARM系統架構-AMBA System Bus • AMBA(Advanced Microcontroller Bus Architecture) • AHB(Advanced High-performance Bus) : high speed bus • ASB(Advanced System Bus ) : tristate bus • APB(Advanced Peripheral Bus) : Low speed bus • Bridge : connect two bus system • Master : Initiate the request • Slave : Respond the request • Arbiter : Decide which Master to use the bus • Decoder : Address decode for the Slave AHB Decoder Slave Device ARM core AHB Arbiter AHB or ASB UART Master Device Bridge APB timer

  8. ARM微處理器系列 • 除了具有ARM架構的共同特點以外，每一個系列的ARM微處理器都有各自的特點和應用領域。 • ARM7系列 • ARM9系列 • ARM9E系列 • ARM10E系列 • Intel的Xscale • Intel的StrongARM

  9. 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，最適合用於對價位和功耗要求較高的消費類應用，ARM7微處理器系列具有如下特點： • 具有嵌入式ICE－RT邏輯，除錯開發方便。 • 極低的功耗，適合對功耗要求較高的應用，如攜帶型產品。 • 能夠提供0.9MIPS/MHz的三級管線結構。 • 程式碼密度高並相容16位元的Thumb指令集。 • 對作業系統的支援廣泛，包括Windows CE、Linux、Palm OS等。 • 指令系統與ARM9系列、ARM9E系列和ARM10E系列相容，便於用戶的產品升級換代。 • 主頻最高可達130MIPS，高速的運算處理能力能勝任絕大多數的複雜應用。

  10. ARM7微處理器系列 • ARM7系列微處理器的主要應用領域為：工業控制、Internet設備、網路和資料機設備、移動電話等多種多媒體和嵌入式應用。ARM7系列微處理器包括如下幾種類型的核：ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ。其中，ARM7TMDI是目前使用最廣泛的32位嵌入式RISC處理器，屬低端ARM處理器核。本書所介紹的Samsung公司的即屬於該系列的處理器。TDMI的基本含義為： • T：支援16為壓縮指令集Thumb。 • D：支持片上Debug。 • M：內嵌硬體乘法器（Multiplier）。 • I：嵌入式ICE，支持片上中斷點和除錯點。

  11. ARM9微處理器系列 • ARM9系列微處理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。ARM9系列微處理器包含ARM920T、ARM922T和ARM940T三種類型，以適用於不同的應用場合。ARM9具有以下特點： • 5級整數管線，指令執行效率更高。 • 提供1.1MIPS/MHz的哈佛結構。 • 支援32位元ARM指令集和16位元Thumb指令集。 • 支援32位元的高速AMBA匯流排界面。 • 全性能的MMU，支援Windows CE、Linux、Palm OS等多種主流嵌入式作業系統。 • MPU支援即時操作系統。 • 支援資料Cache和指令Cache，具有更高的指令和資料處理能力。

  12. ARM10E微處理器系列 • ARM10E系列微處理器具有高性能、低功耗的特點，由於採用了新的架構，與同等的ARM9器件相比較，在同樣的時鐘頻率下，性能提高了近50％，同時，ARM10E系列微處理器採用了兩種先進的節能方式，使其功耗極低。ARM10E系列微處理器的主要特點如下： • 支援DSP指令集，適合於需要高速數位信號處理的場合。 • 6級整數管線，指令執行效率更高。 • 支援32位元ARM指令集和16位元Thumb指令集。 • 支援32位元的高速AMBA匯流排界面。 • 支援VFP10浮點處理輔助運算器。 • 全性能的MMU，支援Windows CE、Linux、Palm OS等多種主流嵌入式作業系統。 • 支援資料Cache和指令Cache，具有更高的指令和資料處理能力 • 主頻最高可達400MIPS。 • 內嵌並行讀/寫操作元件。

  13. StrongARM微處理器系列 • Intel StrongARM SA-1100處理器是採用ARM架構高度整合的32位元RISC微處理器。它融合了Intel公司的設計和處理技術以及ARM架構的電源效率，採用在軟體上相容ARMv4架構、同時採用具有Intel技術優點的架構。Intel StrongARM處理器是攜帶型通訊產品和消費類電子產品的理想選擇，已成功應用於多家公司的掌上電腦系列產品。

  14. Xscale處理器 • Xscale 處理器是基於ARMv5TE架構的解決方案，是一款全性能、高成本效益比、低功耗的處理器。它支援16位元的Thumb指令和DSP指令集，已使用在數位移動電話、個人數位助理和網路產品等場合。Xscale 處理器是Intel目前主要推廣的一款ARM微處理器。

  15. 選擇ARM微處理器的準則 • 1) ARM微處理器核心的選擇 • 如果希望使用WinCE或標準Linux等作業系統以減少軟體發展時間，就需要選擇ARM720T以上帶有MMU（Memory Management Unit）功能的ARM晶片。 • ARM720T、ARM920T、ARM922T、ARM946T、Strong-ARM都帶有MMU功能。 • 而ARM7TDMI則沒有MMU，不支持Windows CE和標準Linux，但目前有uCLinux等不需要MMU支援的作業系統可執行於ARM7TDMI硬體平臺之上。 • 2) 系統的工作頻率 • 系統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晶片系統主時鐘為20MHz-133MHz。 • ARM9系列微處理器的典型處理速度為1.1MIPS/MHz，常見的ARM9的系統主時脈頻率為100MHz-233MHz，ARM10最高可以達到700MHz。

  16. 選擇ARM微處理器的準則 • 3) 晶片內部記憶體的容量 • 大多數的ARM微處理器晶片內部記憶體的容量都不太大。 • 如ATMEL的AT91F40162就具有高達2MB的晶片內部程式存儲空間。 • 4) 晶片內部週邊電路的選擇 • 我們稱之為晶片內部週邊電路，如USB介面、IIS介面、LCD控制器、鍵盤介面、RTC、ADC和DAC、DSP輔助運算器等，設計者應分析系統的需求，盡可能採用晶片內部週邊電路完成所需的功能，這樣既可簡化系統的設計，同時提高系統的可靠性。

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