ARM处理器是世界上最流行的嵌入式处理器
摘要：ARM处理器是世界上最流行的嵌入式处理器，广泛应用于个人通信等嵌入式领域。ARM7处理器虽然功能强大，但是目前已经开始退出主流应用领域，代替它的是性能更加强大的ARM9系列处理器。介绍了ARM9处理器与ARM7处理器的不同之处，并且给出了ARM9的应用实例。ARM9系列处理器是英国ARM公司设计的主流嵌入式处理器，主要包括ARM9TDMI和ARM9E-S等系列。本文主要介绍它们与ARM7TDMI的结构以及性能比较。以手机应用为例，2G手机只需提供语音及简单的文字短信功能，而目前的2．5G 和未来的3G手机除了提供这两项功能外，还必须提供各种其他的应用功能。主要包括：(1)无线网络设备：手机上网、电子邮件及其他定位服务等功能；(2)PDA功能：含有用户操作系统(WindowsCE、SymbianOS、Linux等)及其他功能；(3)高性能功能：音频播放器、视频电话、手机游戏等。在2．5G和3G的应用中ARM9已经全面替代了ARM7。因为ARM9的新特性能够满足各种新需求的同时减少产品研发时间并降低研发费用。新一代的ARM9处理器，通过全新的设计，采用了更多的晶体管，能够达到两倍以上于ARM7处理器的处理能力。这种处理能力的提高是通过增加时钟频率和减少指令执行周期实现的。1时钟频率的提高ARM7处理器采用3级流水线，而ARM9采用5级流水线，如图1、2、3所示。增加的流水线设计提高了时钟频率和并行处理能力。5级流水线能够将每一个指令处理分配到5个时钟周期内，在每一个时钟周期内同时有5个指令在执行。在同样的加工工艺下，ARM9TDMI处理器的时钟频率是ARM7TDMI的1．8～2．2倍。图1、图2和图3 2指令周期的改进
指令周期的改进对于处理器性能的提高有很大的帮助。性能提高的幅度依赖于代码执行时指令的重叠，这实际上是程序本身的问题。对于采用最高级的语言，一般来说，性能的提高在30％左右。2．1loads指令矛nstores指令指令周期数的改进最明显的是loads指令和stores指令。从ARM7到ARM9这两条指令的执行时间减少了30％。指令周期的减少是由于ARM7和ARM9两种处理器内的两个基本的微处理结构不同所造成的。(1)ARM9有独立的指令和数据存储器接口，允许处理器同时进行取指和读写数据。这叫作改进型哈佛结构。而ARM7只有数据存储器接口，它同时用来取指令和数据访问。(2)5级流水线引入了独立的存储器和写回流水线，分别用来访问存储器和将结果写回寄存器。以上两点实现了一个周期完成loads指令和stores指令。2．2互锁(interlocks)技术当指令需要的数据因为以前的指令没有执行完而没有准备好就会产生管道互锁。当管道互锁发生时，硬件会停止这个指令的执行，直到数据准备好为止。虽然这种技术会增加代码执行时间，但是为初期的设计者提供了巨大的方便。编译器以及汇编程序员可以通过重新设计代码的顺序或者其他方法来减少管道互锁的数量。2．3分枝指令ARM9和ARM7的分枝指令周期是相同的。而且ARM9TDMI和ARM9E-S并没有对分枝指令进行预测处理。3ARM9结构及特点以ARM9E-S为例介绍ARM9处理器的主要结构及其特点。ARM9E-S的结构如图4所示。其主要特点如下：
(1)32bit定点RISC处理器，改进型ARM／Thumb代码交织，增强性乘法器设计。支持实时(real-time)调试；(2)片内指令和数据SRAM，而且指令和数据的存储器容量可调；(3)片内指令和数据高速缓冲器(cache)容量从4K字节到1M字节；(4)设置保护单元(protcctionunit)，非常适合嵌入式应用
中对存储器进行分段和保护；(5)采用AMBAAHB总线接口，为外设提供统一的地址和数据总线；(6)支持外部协处理器，指令和数据总线有简单的握手信令支持；(7)支持标准基本逻辑单元扫描测试方法学，而且支持
BIST(built-in-self-test)；(8)支持嵌入式跟踪宏单元，支持实时跟踪指令和数据。图5 4ARM9的典型应用TI公司的OMAP730是最新的无线通信基带信号处理器。该处理器是TI的GPRSClass12通信模块与专用于应用处理的ARM926通用处理器(GPP)的集成。由于GPP的速度可达200MHz，因此OMAP730具有两倍于上一代OMAP710处理器的应用处理性能。如同所有的OMAP 处理器一样，OMAP730可支持领先的移动操作系统，其中包括Microsoft的智能电话与PocketPCPhoneEdition、SvmbianOS与Series60、PalmOS以及Linux。TIOMAP730结构如图5所示。其中ARM926TEJ处理器的主要特性包括：(1)最高频率200MHz；(2)16KB指令高速缓存，8KB数据高速缓存；(3)硬件JAVA加速；(4)扩展多媒体指令集结构。ARM微处理器是一种高性能、低功耗的32位微处器，它被广泛应用于嵌入式系统中。ARM9代表了ARM公司主流的处理器，已经在手持电话、机顶盒、数码像机、GPS、个人数字助理以及因特网设备等方面有了广泛的应用。
ARM 微处理器硬件架构 ARM 微处理器硬件架构 冯诺依曼结构则是程序空间和数据空间不独立的结构哈佛结构是指程序和数据空间独立的体系结构, 减轻 目的是为了程序运行时的访存瓶颈。 典型PC 机--冯诺依曼架构 冯· 诺依曼体系的特点 1）数据与指令都存储在存储器中 2）被大多数计算机所采用 3）ARM7 ——冯诺依曼体系哈佛体系架构 哈佛体系结构的特点 1)程序存储器与数据存储器分开
2)提供了较大的数存储器带宽 3)适合于数字信号处理 4)大多数DSP 都是哈佛结构 5)ARM9 是哈佛结构 CISC ：复杂指令集( Complex Instruction Set Computer ) 具有大量的指令和寻址方式 8/2 原则：80% 的程序只使用20%的指令大多数程序只使用少量的指令就能够运行 RISC ：精简指令集( Reduced Instruction Set Computer) 在通道中只包含最有用的指令确保数据通道快速执行每一条指令使CPU 硬件结构设计变得更为简单流水线技术：几个指令可以并行执行提高了CPU 的运行效率内部信息流要求通畅流动为增加处理器指令流的速度，ARM7 系列使用3 级流水线. 允许多个操作同时处理，而非顺序执行。 注，PC 指向正被取指的指令，而非正在执行的指令ARM 处理器内核流水线超标量执行 超标量CPU 采用多条流水线结构。 超标量体系结构描述一种微处理器设计，它能够在一个时钟周期执行多个指令。在超标量体系结构设计中，处理器或指令编译器能够判断指令能独立于其它顺序指令而执行，还是
依赖于另一指令，必须跟其按顺序执行。处理器然后使用多个执行单元同时执行两个或更多独立指令。超标量体系结构设计有时称“ 第二代RISC” 。高速缓存( CACHE ) 1、为什么采用高速缓存微处理器的时钟频率比内存速度提高快得多，高速缓存可以提高内存的平均性能。 2、高速缓存的工作原理高速缓存是一种小型、快速的存储器，它保存部分主存内容的拷贝。 总线和总线桥存储器系统 RAM ：随机存取存储器 SRAM ：静态随机存储器 DRAM ：动态随机存储器 1)SRAM 比DRAM 快 2)SRAM 比DRAM 耗电多 3)DRAM 存储密度比SRAM 高得多 4)DRAM 需要周期性刷新 ROM ：只读存储器 FLASH ：闪存