ARM基礎(chǔ)知識教程（一）：ARM簡介

　　ARM將其技術(shù)授權(quán)給世界上許多著名的半導(dǎo)體、軟件和OEM廠商，每個廠商得到的都是一套獨一無二的ARM相關(guān)技術(shù)及服務(wù)。利用這種合伙關(guān)系，ARM很快成為許多全球性RISC標(biāo)準(zhǔn)的締造者。
　　目前，總共有30家半導(dǎo)體公司與ARM簽訂了硬件技術(shù)使用許可協(xié)議，其中包括Intel、IBM、LG半導(dǎo)體、NEC、SONY、菲利浦和國民半導(dǎo)體這樣的大公司。至于軟件系統(tǒng)的合伙人，則包括微軟、升陽和MRI等一系列知名公司。
　　ARM架構(gòu)是面向低預(yù)算市場設(shè)計的第一款RISC微處理器。

　　2.產(chǎn)品介紹
　　ARM提供一系列內(nèi)核、體系擴(kuò)展、微處理器和系統(tǒng)芯片方案。
由于所有產(chǎn)品均采用一個通用的軟件體系，所以相同的軟件可在所有產(chǎn)品中運行（理論上如此）。典型的產(chǎn)品如下。
　　 (1)CPU內(nèi)核
　　 --ARM7：小型、快速、低能耗、集成式RISC內(nèi)核，用于移動通信。
　　-- ARM7TDMI(Thumb):這是公司授權(quán)用戶最多的一項產(chǎn)品，將ARM7指令集同Thumb擴(kuò)展組合在一起，以減少內(nèi)存容量和系統(tǒng)成本。
同時，它還利用嵌入式ICE調(diào)試技術(shù)來簡化系統(tǒng)設(shè)計，并用一個DSP增強(qiáng)擴(kuò)展來改進(jìn)性能。該產(chǎn)品的典型用途是數(shù)字蜂窩電話和硬盤驅(qū)動器。
　　--ARM9TDMI:采用5階段管道化ARM9內(nèi)核，同時配備Thumb擴(kuò)展、調(diào)試和Harvard總線。在生產(chǎn)工藝相同的情況下，性能可達(dá)ARM7TDMI的兩倍之多。常用于連網(wǎng)和頂置盒。
　　(2)體系擴(kuò)展
　　-- Thumb:以16位系統(tǒng)的成本，提供32位RISC性能，特別注意的是它所需的內(nèi)存容量非常小。
　　(3)嵌入式ICE調(diào)試
　　由于集成了類似于ICE的CPU內(nèi)核調(diào)試技術(shù)，所以原型設(shè)計和系統(tǒng)芯片的調(diào)試得到了極大的簡化。
　　(4)微處理器
　　--ARM710系列，包括ARM710、ARM710T、ARM720T和ARM740T:低價、低能耗、封裝式常規(guī)系統(tǒng)微型處理器，配有高速緩存
（Cache）、內(nèi)存管理、寫緩沖和JTAG。廣泛應(yīng)用于手持式計算、數(shù)據(jù)通信和消費類多媒體。
　　 --ARM940T、920T系列:低價、低能耗、高性能系統(tǒng)微處理器，配有Cache、內(nèi)存管理和寫緩沖。應(yīng)用于高級引擎管理、保安系統(tǒng)、頂置盒、便攜計算機(jī)和高檔打印機(jī)。
　　--StrongARM:性能很高、同時滿足常規(guī)應(yīng)用需要的一種微處理器技術(shù)，與DEC聯(lián)合研制，后來授權(quán)給Intel。SA110處理器、SA1100 PDA系統(tǒng)芯片和SA1500多媒體處理器芯片均采用了這一技術(shù)。
　　--ARM7500和ARM7500FE:高度集成的單芯片RISC計算機(jī)，基于一個緩存式ARM7 32位內(nèi)核，擁有內(nèi)存和I/O控制器、3個DMA通道、片上視頻控制器和調(diào)色板以及立體聲端口;ARM7500FE則增加了一個浮點運算單元以及對EDO DRAM的支持。特別適合電視頂置盒和網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)（NC）。
Windows CE的Pocket PC只支持ARMWindows CE可支持多種嵌入式處理器，但基于Windows CE的Pocket PC則只支持ARM一種。微軟在對SH3、MIPS、ARM等嵌入式處理器做了評估后認(rèn)為，ARM是一種性價比較好的選擇。由于目前ARM在手持設(shè)備市場占有90%以上的份額，只支持ARM，可以有效地縮短應(yīng)用程序開發(fā)與測試的時間，也降低了研發(fā)費用。由于ARM開放其處理器授權(quán)，因此，用戶在市場上可以在多家整機(jī)廠商中進(jìn)行選擇，從而保證了這一市場的競爭性。

ARM結(jié)構(gòu)簡介
ARM系列是英國先進(jìn)RISC機(jī)器公司（Advanced RISC Machines，ARM）公司的產(chǎn)品[1]。第一個基于RISC指令集的ARM芯片是在1985年開始設(shè)計的，采用的是典型的32位RISC體系結(jié)構(gòu)，其指令擁有4位的寄存器地址域，可以訪問R0-R15這16個寄存器。而其他的寄存器只有在特殊的情況下才可以訪問到。ARM使用了標(biāo)準(zhǔn)的、固定長度的32位指令格式，所有的ARM指令使用了4位的條件碼來決定該指令是否應(yīng)當(dāng)執(zhí)行，這種方式可以解決一些條件分支的問題，從而對代碼的密度和性能都有好處.

由于體系結(jié)構(gòu)設(shè)計以及器件技術(shù)上的特點，使得ARM處理器可以與一些復(fù)雜得多的微處理器相抗衡，特別是在需要很少能耗的嵌入式處理場合。

1990年，ARM公司成立了。在ARM7中，將ARM體系結(jié)構(gòu)完全擴(kuò)展到32位（原來的ARM處理器只有26位的地址空間），并將主頻提升到40MHz，另外還集成了一個8KB的Cache。比較有趣的是，ARM7可以支持一種稱為"Thumb"的模式，可以運行新的16位指令。這主要是通過在ARM7芯片的指令預(yù)取階段增加一個硬件，完成Thumb指令到正常的32位RISC指令的轉(zhuǎn)換來達(dá)到目的的。通過引入Thumb模式，只需要付出很少的硬件代價，就可以將代碼的密度提升大約25%-35%，并使得應(yīng)用的運行更為迅速。
1995年，ARM、Apple、DEC公司聯(lián)合聲明將開發(fā)一種用于PDA的高性能、低功耗的微處理器，主要是基于ARM體系結(jié)構(gòu)的。DEC將自己在MPU設(shè)計上的優(yōu)勢帶入ARM芯片設(shè)計中。一年后，StrongARM SA-110問世了，并成為嵌入式微處理器設(shè)計的一個里程碑。
StrongARM SA-110可以工作在200MHz，而能耗不到1瓦。在體系結(jié)構(gòu)上，
StrongARM將原來ARM中的三級流水線擴(kuò)展到五級，在器件工藝上，大量采用了最新的體系結(jié)構(gòu)和器件技術(shù)，大大降低了芯片工作時的能耗。

StrongARM的出現(xiàn)并不是ARM發(fā)展歷程上的唯一分支。1996年，ARM8發(fā)布了，采用同樣的五級流水線，并在72MHz條件下，達(dá)到了84MIPS的指標(biāo)。而在1997年，ARM9內(nèi)核采用了與StrongARM相同的五級流水線。ARM9TDMI在0.25um工藝條件下，可以在200MHz達(dá)到220MIPS的性能。ARM9的另外一個版本ARM9E對SIMD做了增強(qiáng)，包括8位和16位SIMD加法和減法，16位和32位乘法，以及相應(yīng)的算術(shù)操作等.

1997年，Intel接管了StrongARM，并開發(fā)了幾個后續(xù)產(chǎn)品。1998年，Intel開始用0.18um工藝生產(chǎn)StrongARM處理器。在1999年度嵌入式微處理器論壇上，Intel宣布將在其第二代StrongARM中采用7級流水線，并在0.18um工藝條件下，達(dá)到600MHz的速度，而能耗將僅僅為不到0.5瓦，同時，將新的微處理器命名為StrongARM Xscale[8]。

ARM9EJ是ARM9E在Java支持上的增強(qiáng)版本。它采用了類似Thumb的機(jī)制，通過很少的硬件代價，使大多數(shù)Java虛擬機(jī)字節(jié)碼可以加速執(zhí)行，更為復(fù)雜的Java虛擬機(jī)字節(jié)碼可以通過軟件的方式執(zhí)行。這樣，使得Java虛擬機(jī)字節(jié)碼的執(zhí)行速度提升了大約8倍左右。這對于嵌入式場合的Java應(yīng)用無疑是極其有效的。

ARM的成功在于它極高的性能以及極低的能耗，使得它能夠與高端的MIPS和PowerPC嵌入式微處理器相抗衡。另外，根據(jù)市場需要進(jìn)行功能的擴(kuò)展，也是ARM取得成功的一個重要因素。隨著更多廠商的支持和加入，可以預(yù)見，在將來一段時間之內(nèi)，ARM仍將主宰32位嵌入式微處理器市場。

ARM取得了極大的成功，世界上幾乎所有主要的半導(dǎo)體廠商都從ARM公司購買ARM ISA許可。目前ARM系列芯片已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于移動電話、手持式計算機(jī)以及各種各樣的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域，成為世界上銷量最大的32位微處理器。

最新的市場調(diào)查表明，ARM占據(jù)了整個32位嵌入式微處理器市場的90%。

ARM（Advanced RISC Machines）是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，設(shè)計了大量高性能、廉價、耗能低的RISC處理器、相關(guān)技術(shù)及軟件。技術(shù)具有性能高、成本低和能耗省的特點。適用于多種領(lǐng)域，比如嵌入控制、消費/教育類多媒體、DSP和移動式應(yīng)用等。
　　ARM將其技術(shù)授權(quán)給世界上許多著名的半導(dǎo)體、軟件和OEM廠商，每個廠商得到的都是一套獨一無二的ARM相關(guān)技術(shù)及服務(wù)。利用這種合伙關(guān)系，ARM很快成為許多全球性RISC標(biāo)準(zhǔn)的締造者。
　　目前，總共有30家半導(dǎo)體公司與ARM簽訂了硬件技術(shù)使用許可協(xié)議，其中包括Intel、IBM、LG半導(dǎo)體、NEC、SONY、菲利浦和國民半導(dǎo)體這樣的大公司。至于軟件系統(tǒng)的合伙人，則包括微軟、升陽和MRI等一系列知名公司。
　　ARM架構(gòu)是面向低預(yù)算市場設(shè)計的第一款RISC微處理器。

　　2.產(chǎn)品介紹
　　ARM提供一系列內(nèi)核、體系擴(kuò)展、微處理器和系統(tǒng)芯片方案。
由于所有產(chǎn)品均采用一個通用的軟件體系，所以相同的軟件可在所有產(chǎn)品中運行（理論上如此）。典型的產(chǎn)品如下。
　　 (1)CPU內(nèi)核
　　 --ARM7：小型、快速、低能耗、集成式RISC內(nèi)核，用于移動通信。
　　-- ARM7TDMI(Thumb):這是公司授權(quán)用戶最多的一項產(chǎn)品，將ARM7指令集同Thumb擴(kuò)展組合在一起，以減少內(nèi)存容量和系統(tǒng)成本。
同時，它還利用嵌入式ICE調(diào)試技術(shù)來簡化系統(tǒng)設(shè)計，并用一個DSP增強(qiáng)擴(kuò)展來改進(jìn)性能。該產(chǎn)品的典型用途是數(shù)字蜂窩電話和硬盤驅(qū)動器。
　　--ARM9TDMI:采用5階段管道化ARM9內(nèi)核，同時配備Thumb擴(kuò)展、調(diào)試和Harvard總線。在生產(chǎn)工藝相同的情況下，性能可達(dá)ARM7TDMI的兩倍之多。常用于連網(wǎng)和頂置盒。
　　(2)體系擴(kuò)展
　　-- Thumb:以16位系統(tǒng)的成本，提供32位RISC性能，特別注意的是它所需的內(nèi)存容量非常小。
　　(3)嵌入式ICE調(diào)試
　　由于集成了類似于ICE的CPU內(nèi)核調(diào)試技術(shù)，所以原型設(shè)計和系統(tǒng)芯片的調(diào)試得到了極大的簡化。
　　(4)微處理器
　　--ARM710系列，包括ARM710、ARM710T、ARM720T和ARM740T:低價、低能耗、封裝式常規(guī)系統(tǒng)微型處理器，配有高速緩存
（Cache）、內(nèi)存管理、寫緩沖和JTAG。廣泛應(yīng)用于手持式計算、數(shù)據(jù)通信和消費類多媒體。
　　 --ARM940T、920T系列:低價、低能耗、高性能系統(tǒng)微處理器，配有Cache、內(nèi)存管理和寫緩沖。應(yīng)用于高級引擎管理、保安系統(tǒng)、頂置盒、便攜計算機(jī)和高檔打印機(jī)。
　　--StrongARM:性能很高、同時滿足常規(guī)應(yīng)用需要的一種微處理器技術(shù)，與DEC聯(lián)合研制，后來授權(quán)給Intel。SA110處理器、SA1100 PDA系統(tǒng)芯片和SA1500多媒體處理器芯片均采用了這一技術(shù)。
　　--ARM7500和ARM7500FE:高度集成的單芯片RISC計算機(jī)，基于一個緩存式ARM7 32位內(nèi)核，擁有內(nèi)存和I/O控制器、3個DMA通道、片上視頻控制器和調(diào)色板以及立體聲端口;ARM7500FE則增加了一個浮點運算單元以及對EDO DRAM的支持。特別適合電視頂置盒和網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)（NC）。
Windows CE的Pocket PC只支持ARMWindows CE可支持多種嵌入式處理器，但基于Windows CE的Pocket PC則只支持ARM一種。微軟在對SH3、MIPS、ARM等嵌入式處理器做了評估后認(rèn)為，ARM是一種性價比較好的選擇。由于目前ARM在手持設(shè)備市場占有90%以上的份額，只支持ARM，可以有效地縮短應(yīng)用程序開發(fā)與測試的時間，也降低了研發(fā)費用。由于ARM開放其處理器授權(quán)，因此，用戶在市場上可以在多家整機(jī)廠商中進(jìn)行選擇，從而保證了這一市場的競爭性。

ARM結(jié)構(gòu)簡介
ARM系列是英國先進(jìn)RISC機(jī)器公司（Advanced RISC Machines，ARM）公司的產(chǎn)品[1]。第一個基于RISC指令集的ARM芯片是在1985年開始設(shè)計的，采用的是典型的32位RISC體系結(jié)構(gòu)，其指令擁有4位的寄存器地址域，可以訪問R0-R15這16個寄存器。而其他的寄存器只有在特殊的情況下才可以訪問到。ARM使用了標(biāo)準(zhǔn)的、固定長度的32位指令格式，所有的ARM指令使用了4位的條件碼來決定該指令是否應(yīng)當(dāng)執(zhí)行，這種方式可以解決一些條件分支的問題，從而對代碼的密度和性能都有好處.

由于體系結(jié)構(gòu)設(shè)計以及器件技術(shù)上的特點，使得ARM處理器可以與一些復(fù)雜得多的微處理器相抗衡，特別是在需要很少能耗的嵌入式處理場合。

1990年，ARM公司成立了。在ARM7中，將ARM體系結(jié)構(gòu)完全擴(kuò)展到32位（原來的ARM處理器只有26位的地址空間），并將主頻提升到40MHz，另外還集成了一個8KB的Cache。比較有趣的是，ARM7可以支持一種稱為"Thumb"的模式，可以運行新的16位指令。這主要是通過在ARM7芯片的指令預(yù)取階段增加一個硬件，完成Thumb指令到正常的32位RISC指令的轉(zhuǎn)換來達(dá)到目的的。通過引入Thumb模式，只需要付出很少的硬件代價，就可以將代碼的密度提升大約25%-35%，并使得應(yīng)用的運行更為迅速。
1995年，ARM、Apple、DEC公司聯(lián)合聲明將開發(fā)一種用于PDA的高性能、低功耗的微處理器，主要是基于ARM體系結(jié)構(gòu)的。DEC將自己在MPU設(shè)計上的優(yōu)勢帶入ARM芯片設(shè)計中。一年后，StrongARM SA-110問世了，并成為嵌入式微處理器設(shè)計的一個里程碑。
StrongARM SA-110可以工作在200MHz，而能耗不到1瓦。在體系結(jié)構(gòu)上，
StrongARM將原來ARM中的三級流水線擴(kuò)展到五級，在器件工藝上，大量采用了最新的體系結(jié)構(gòu)和器件技術(shù)，大大降低了芯片工作時的能耗。

StrongARM的出現(xiàn)并不是ARM發(fā)展歷程上的唯一分支。1996年，ARM8發(fā)布了，采用同樣的五級流水線，并在72MHz條件下，達(dá)到了84MIPS的指標(biāo)。而在1997年，ARM9內(nèi)核采用了與StrongARM相同的五級流水線。ARM9TDMI在0.25um工藝條件下，可以在200MHz達(dá)到220MIPS的性能。ARM9的另外一個版本ARM9E對SIMD做了增強(qiáng)，包括8位和16位SIMD加法和減法，16位和32位乘法，以及相應(yīng)的算術(shù)操作等.

1997年，Intel接管了StrongARM，并開發(fā)了幾個后續(xù)產(chǎn)品。1998年，Intel開始用0.18um工藝生產(chǎn)StrongARM處理器。在1999年度嵌入式微處理器論壇上，Intel宣布將在其第二代StrongARM中采用7級流水線，并在0.18um工藝條件下，達(dá)到600MHz的速度，而能耗將僅僅為不到0.5瓦，同時，將新的微處理器命名為StrongARM Xscale[8]。

ARM9EJ是ARM9E在Java支持上的增強(qiáng)版本。它采用了類似Thumb的機(jī)制，通過很少的硬件代價，使大多數(shù)Java虛擬機(jī)字節(jié)碼可以加速執(zhí)行，更為復(fù)雜的Java虛擬機(jī)字節(jié)碼可以通過軟件的方式執(zhí)行。這樣，使得Java虛擬機(jī)字節(jié)碼的執(zhí)行速度提升了大約8倍左右。這對于嵌入式場合的Java應(yīng)用無疑是極其有效的。

ARM的成功在于它極高的性能以及極低的能耗，使得它能夠與高端的MIPS和PowerPC嵌入式微處理器相抗衡。另外，根據(jù)市場需要進(jìn)行功能的擴(kuò)展，也是ARM取得成功的一個重要因素。隨著更多廠商的支持和加入，可以預(yù)見，在將來一段時間之內(nèi)，ARM仍將主宰32位嵌入式微處理器市場。

ARM取得了極大的成功，世界上幾乎所有主要的半導(dǎo)體廠商都從ARM公司購買ARM ISA許可。目前ARM系列芯片已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于移動電話、手持式計算機(jī)以及各種各樣的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域，成為世界上銷量最大的32位微處理器。