ARM系列微處理器簡介之：初識(shí)ARM系列處理器

1.3  初識(shí)ARM系列處理器

ARM處理器當(dāng)前有6個(gè)產(chǎn)品系列：ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、ARM11和SecurCore，其中ARM11為最近推出的產(chǎn)品。進(jìn)一步的產(chǎn)品來自于合作伙伴，例如Intel Xscale ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E是4個(gè)通用處理器系列。每個(gè)系列提供一套特定的性能來滿足設(shè)計(jì)者對(duì)功耗、性能、體積的需求。SecurCore是第5個(gè)產(chǎn)品系列，是專門為安全設(shè)備而設(shè)計(jì)的。

表1.2總結(jié)了ARM各系列處理器所包含的不同類型。

表1.2 ARM各系列處理器所包含的不同類型

續(xù)表

本節(jié)簡要介紹ARM各個(gè)系列處理器的特點(diǎn)。

1.3.1  ARM7系列

ARM7內(nèi)核采用馮·諾伊曼體系結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)和指令使用同一條總線。內(nèi)核有一條3級(jí)流水線，執(zhí)行ARMv4指令集。

ARM7系列處理器主要用于對(duì)功耗和成本要求比較苛刻的消費(fèi)類產(chǎn)品。其最高主頻可以到達(dá)130MIPS（MIPS指每秒執(zhí)行的百萬條指令數(shù)）。ARM7系列包括ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM7EJ-S和ARM720T 4種類型，主要用于適應(yīng)不同的市場需求。

ARM7系列處理器主要具有以下特點(diǎn)：

·  成熟的大批量的32位RICS芯片；

·  最高主頻到達(dá)130MIPS；

·  功耗低；

·  代碼密度高，兼容16位微處理器；

·  開發(fā)工具多、EDA仿真模型多；

·  調(diào)試機(jī)制完善；

·  提供0.25µm、0.18µm及0.13µm的生產(chǎn)工藝；

·  代碼與ARM9系列、ARM9E系列以及ARM10E系列兼容。

1.3.2  ARM9系列

ARM9系列于1997年問世。由于采用了5級(jí)指令流水線，ARM9處理器能夠運(yùn)行在比ARM7更高的時(shí)鐘頻率上，改善了處理器的整體性能；存儲(chǔ)器系統(tǒng)根據(jù)哈佛體系結(jié)構(gòu)（程序和數(shù)據(jù)空間獨(dú)立的體系結(jié)構(gòu)）重新設(shè)計(jì)，區(qū)分了數(shù)據(jù)總線和指令總線。

ARM9系列的第一個(gè)處理器是ARM920T，包含獨(dú)立的數(shù)據(jù)指令Cache和MMU。此處理器能夠被用在要求有虛擬存儲(chǔ)器支持的操作系統(tǒng)上。此系列的ARM922T是ARM920T的變種，只有一半大小的數(shù)據(jù)指令Cache。

ARM940T包含一個(gè)更小的數(shù)據(jù)指令Cache和一個(gè)MPU。它是針對(duì)不要求運(yùn)行操作系統(tǒng)的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。ARM920T、ARM940T都執(zhí)行v4T架構(gòu)指令。

1.3.3  ARM9E系列

ARM9系列的下一個(gè)處理器是基于ARM9E-S內(nèi)核的。這個(gè)內(nèi)核是ARM9內(nèi)核帶有E擴(kuò)展的一個(gè)可綜合版本。它有ARM946E-S和ARM966E-S兩個(gè)變種。兩者都執(zhí)行v5TE架構(gòu)指令。它們也支持可選的嵌入式跟蹤宏單元，支持開發(fā)者實(shí)時(shí)跟蹤處理器上指令和數(shù)據(jù)的執(zhí)行。當(dāng)調(diào)試對(duì)時(shí)間敏感的程序段時(shí)，這種方法非常重要。

ARM946E-S包括TCM、Cache和一個(gè)MPU。TCM和Cache的大小可配置。該處理器是針對(duì)要求有確定的實(shí)時(shí)響應(yīng)的嵌入式控制而設(shè)計(jì)的。ARM966E-S有可配置的TCM，但沒有MPU和Cache擴(kuò)展。

ARM9系列的ARM926EJ-S內(nèi)核為可綜合的處理器內(nèi)核，發(fā)布于2000年。它是針對(duì)小型便攜式Java設(shè)備，諸如3G手機(jī)和PDA應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。ARM926EJ-S是第一個(gè)包含Jazelle技術(shù)，可加速Java字節(jié)碼執(zhí)行的ARM處理器內(nèi)核。它還有一個(gè)MMU、可配置的TCM以及具有零或非零等待存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)/指令Cache。

1.3.4  ARM10系列

ARM10發(fā)布于1999年，具有高性能、低功耗的特點(diǎn)。它所采用的新的體系使其在所有ARM產(chǎn)品中具有最高的MIPS/MHz。它將ARM9的流水線擴(kuò)展到6級(jí)，也支持可選的向量浮點(diǎn)單元VFP，對(duì)ARM10的流水線加入了第7段。VFP明顯增強(qiáng)了浮點(diǎn)運(yùn)算性能并與IEEE 754.1985浮點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)兼容。

ARM10E系列處理器采用了新的節(jié)能模式，提供了64位的Load/Store體系，支持包括向量操作的滿足IEEE 754的浮點(diǎn)運(yùn)算協(xié)處理器，系統(tǒng)集成更加方便，擁有完整的硬件和軟件開發(fā)工具。ARM10E系列包括ARM1020E、ARM1022E和ARM1026EJ-S 3種類型。

1.3.5  ARM11系列

ARM1136J-S發(fā)布于2003年，是針對(duì)高性能和高能效應(yīng)而設(shè)計(jì)的。ARM1136J-S是第一個(gè)執(zhí)行ARMv6架構(gòu)指令的處理器。它集成了一條具有獨(dú)立的Load/Stroe和算術(shù)流水線的8級(jí)流水線。ARMv6指令包含了針對(duì)媒體處理的單指令流多數(shù)據(jù)流擴(kuò)展，采用特殊的設(shè)計(jì)改善視頻處理能力。

1.3.6  SecurCore系列

SecurCore系列處理器提供了基于高性能的32位RISC技術(shù)的安全解決方案。SecurCore系列處理器除了具有體積小、功耗低、代碼密度高等特點(diǎn)外，還具有它自己特別優(yōu)勢，即提供了安全解決方案支持。下面總結(jié)了SecurCore系列的主要特點(diǎn)：

① 支持ARM指令集和Thumb指令集，以提高代碼密度和系統(tǒng)性能；

② 采用軟內(nèi)核技術(shù)以提供最大限度的靈活性，可以防止外部對(duì)其進(jìn)行掃描探測；

③ 提供了安全特性，可以抵制攻擊；

④ 提供面向智能卡和低成本的存儲(chǔ)保護(hù)單元MPU；

⑤ 可以集成用戶自己的安全特性和其他的協(xié)處理器。

SecurCore系列包含SC100、SC110、SC200和SC210 4種類型。

1.3.7  其他系列處理器

StrongARM處理器最初是ARM公司與Digital Semiconductor公司合作開發(fā)的，現(xiàn)在由Intel公司單獨(dú)許可。在低功耗、高性能的產(chǎn)品中應(yīng)用很廣泛。它是哈佛架構(gòu)的，具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)和指令Cache，有MMU（Memory Management Unit）。StrongARM是第一個(gè)包含5級(jí)流水線的高性能ARM處理器，但它不支持Thumb指令集。

Intel公司的Xscale是Strong ARM的后續(xù)產(chǎn)品，在性能上有顯著改善。它執(zhí)行v5TE架構(gòu)指令，也是哈佛結(jié)構(gòu)的，類似于StrongARM也包含一個(gè)MMU。

1.3.8  Cortex－M3和MPCore

為了適應(yīng)市場的需要，ARM推出了兩個(gè)新的處理器：Cortex-M3和MPCore。Cortex-M3主要針對(duì)微控制器市場，而MPCore主要針對(duì)高端消費(fèi)類產(chǎn)品。

Cortex-M3改進(jìn)了代碼密度，減少了中斷延時(shí)并有更低的功耗。Cortex-M3中實(shí)現(xiàn)了最新了Thumb-2指令集。MPCore提供了Cache一致性，每個(gè)支持1～4個(gè)ARM11核，這種設(shè)計(jì)為現(xiàn)代消費(fèi)類產(chǎn)品對(duì)性能和功耗的需求作了很好的平衡。ARM還引入了L2Cache控制器來改進(jìn)系統(tǒng)的整體性能。