ＲＩＳＣ架構(gòu)下的ＡＲＭ微處理器應(yīng)用研究

摘要：該文主要介紹了當(dāng)下流行的嵌入式系統(tǒng)的RISC架構(gòu)下微處理器ARM，分析ARM微處理器適應(yīng)嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)和它的相關(guān)產(chǎn)品適用的領(lǐng)域及其廣闊的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：RISC架構(gòu)；ARM微處理器；嵌入式微處理器

中圖分類號(hào)：TP338文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2008)29-0495-02

The Research of Advanced RISC Machines' Application on Reduced Instruction Set Computing

XU Lei

(Liaoning University International Business and Economics Liaoning， Dalian 116052， China)

Abstract: The thesis discussed the Embedded System of the Advanced RISC Machines， it indicated the Embedded System’s foreground based on itscharacteristic.

Key words: reduced Instruction set computing; advanced RISC machines; embedded microprocessor

提到微處理器大家都會(huì)想到Intel公司和AMD公司的產(chǎn)品，但在當(dāng)今嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中還有一個(gè)同樣響亮的名字ARM微處理器，它是一種RISC 架構(gòu)下嵌入式系統(tǒng)的核心部件，被廣泛的應(yīng)用到工業(yè)控制、無線通訊、消費(fèi)類電子產(chǎn)品等很多領(lǐng)域。

1 RISC架構(gòu)

RISC的英文全稱為“Reduced Instruction Set Computing”，中文即“精簡(jiǎn)指令集”，它的指令系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，它只要求硬件執(zhí)行很有限且最常用的那部分指令，大部分復(fù)雜的操作則使用成熟的編譯技術(shù)，由簡(jiǎn)單指令合成。目前在中高檔服務(wù)器中普遍采用這一指令系統(tǒng)的CPU，特別是高檔服務(wù)器全都采用RISC指令系統(tǒng)的CPU。在中高檔服務(wù)器中采用RISC指令的CPU主要有Compaq（康柏，即新惠普）公司的Alpha、HP公司的PA-RISC、IBM公司的Power PC、MIPS公司的MIPS和SUN公司的Spare。RISC架構(gòu)服務(wù)器是指采用精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算結(jié)構(gòu)(RISC)的服務(wù)器，與IA架構(gòu)服務(wù)器(Intel Xeon處理器、AMD Opteron處理器)比較最大的區(qū)別在于:RISC架構(gòu)服務(wù)器一般應(yīng)用于中端UNIX領(lǐng)域，其在安全性、可靠性方面具有不言而喻的優(yōu)勢(shì)。在嵌入式處理器設(shè)計(jì)領(lǐng)域，RISC已經(jīng)成為處理器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的必然選擇。

2 嵌入式微處理器

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。并且該系統(tǒng)是以提高對(duì)象體系智能性、控制力和人機(jī)交互能力為目的，通過相互作用和內(nèi)在指標(biāo)評(píng)定的，嵌入到對(duì)象體系中的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。而嵌入式微處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心部件，是決定嵌入式系統(tǒng)功能強(qiáng)弱的主要因素，也決定了嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用范圍和開發(fā)復(fù)雜度。那么嵌入式微處理器與通用微處理器有什么區(qū)別呢？嵌入式微處理器是具備強(qiáng)的中斷、I\\O、內(nèi)存和能效管理能力，具有定制多類體系架構(gòu)的特征，適應(yīng)計(jì)算處理性能的微處理器。

3 ARM微處理器

ARM（Advanced RISC Machines），既可以認(rèn)為是一個(gè)公司的名字，也可以認(rèn)為是對(duì)一類微處理器的通稱，還可以認(rèn)為是一種技術(shù)的名字。

ARM公司成立于1990年11月，全稱是“Advanced RISC Machines Ltd.”，它是由英國(guó)Acorn公司提供技術(shù)和12名工程師、美國(guó)蘋果電腦和VLSI Technology（目前已被飛利浦收購(gòu)）出資合手組建的美英混血公司。是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，設(shè)計(jì)了大量高性能、廉價(jià)、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(diǎn)。適用于多種領(lǐng)域，比如嵌入控制、消費(fèi)/教育類多媒體、DSP和移動(dòng)式應(yīng)用等。

4 ARM微處理器應(yīng)用領(lǐng)域

到目前為止，ARM微處理器及技術(shù)的應(yīng)用幾乎已經(jīng)深入到各個(gè)領(lǐng)域：

1) 工業(yè)控制領(lǐng)域：作為32的RISC架構(gòu)，基于ARM核的微控制器芯片不但占據(jù)了高端微控制器市場(chǎng)的大部分市場(chǎng)份額，同時(shí)也逐漸向低端微控制器應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展，ARM微控制器的低功耗、高性價(jià)比，向傳統(tǒng)的8位/16位微控制器提出了挑戰(zhàn)。

2) 無線通訊領(lǐng)域：目前已有超過85%的無線通訊設(shè)備采用了ARM技術(shù)， ARM以其高性能和低成本，在該領(lǐng)域的地位日益鞏固。

3) 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用：隨著寬帶技術(shù)的推廣，采用ARM技術(shù)的ADSL芯片正逐步獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。此外，ARM在語音及視頻處理上行了優(yōu)化，并獲得廣泛支持，也對(duì)DSP的應(yīng)用領(lǐng)域提出了挑戰(zhàn)。

4) 消費(fèi)類電子產(chǎn)品：ARM技術(shù)在目前流行的數(shù)字音頻播放器、數(shù)字機(jī)頂盒和游戲機(jī)中得到廣泛采用。

5) 成像和安全產(chǎn)品：現(xiàn)在流行的數(shù)碼相機(jī)和打印機(jī)中絕大部分采用ARM技術(shù)。手機(jī)中的32位SIM智能卡也采用了ARM技術(shù)。

除此以外，ARM微處理器及技術(shù)還應(yīng)用到許多不同的領(lǐng)域，并會(huì)在將來取得更加廣泛的應(yīng)用。

5 ARM微處理器的特點(diǎn)

采用RISC架構(gòu)的ARM微處理器一般具有如下特點(diǎn)：

1) 體積小、低功耗、低成本、高性能；

2) 支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集，能很好的兼容8位/16位器件；

3) 大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快；

4) 大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成；

5) 尋址方式靈活簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高；

6) 指令長(zhǎng)度固定；

6 ARM微處理器產(chǎn)品

1) 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，最適合用于對(duì)價(jià)位和功耗要求較高的消費(fèi)類應(yīng)用。

ARM7系列微處理器的主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)椋汗I(yè)控制、Internet設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和調(diào)制解調(diào)器設(shè)備、移動(dòng)電話等多種多媒體和嵌入式應(yīng)用。

2) 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系列微處理器主要應(yīng)用于無線設(shè)備、儀器儀表、安全系統(tǒng)、機(jī)頂盒、高端打印機(jī)、數(shù)字照相機(jī)和數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等。

ARM9系列微處理器包含ARM920T、ARM922T和ARM940T三種類型，以適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合。

3) ARM9E微處理器系列

ARM9E系列微處理器為可綜合處理器，使用單一的處理器內(nèi)核提供了微控制器、DSP、Java應(yīng)用系統(tǒng)的解決方案，極大的減少了芯片的面積和系統(tǒng)的復(fù)雜程度。ARM9E系列微處理器提供了增強(qiáng)的DSP處理能力，很適合于那些需要同時(shí)使用DSP和微控制器的應(yīng)用場(chǎng)合。

ARM9系列微處理器主要應(yīng)用于下一代無線設(shè)備、數(shù)字消費(fèi)品、成像設(shè)備、工業(yè)控制、存儲(chǔ)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等領(lǐng)域。

ARM9E系列微處理器包含ARM926EJ-S、ARM946E-S和ARM966E-S三種類型，以適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合。

4) 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(diǎn)，由于采用了新的體系結(jié)構(gòu)，與同等的ARM9器件相比較，在同樣的時(shí)鐘頻率下，性能提高了近50％，同時(shí)，ARM10E系列微處理器采用了兩種先進(jìn)的節(jié)能方式，使其功耗極低。

ARM10E系列微處理器主要應(yīng)用于下一代無線設(shè)備、數(shù)字消費(fèi)品、成像設(shè)備、工業(yè)控制、通信和信息系統(tǒng)等領(lǐng)域。

ARM10E系列微處理器包含ARM1020E、ARM1022E和ARM1026EJ-S三種類型，以適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合。

5) ARM11

ARM11是ARMv6體系結(jié)構(gòu)的第一個(gè)實(shí)現(xiàn)，ARM11微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)目的是為了高性能，而實(shí)現(xiàn)這一目的流水線是關(guān)鍵。ARM11微結(jié)構(gòu)的流水線與以前的ARM不同(如圖1)，它包含8級(jí)流水線，分別為預(yù)取1、預(yù)取2、解碼、發(fā)送、轉(zhuǎn)換/MAC1、執(zhí)行/MAC2、內(nèi)存訪問/MAC3和寫入等八個(gè)單元，使貫通率比以前的提高40%。

6) SecurCore微處理器系列

SecurCore系列微處理器專為安全需要而設(shè)計(jì)，提供了完善的32位RISC技術(shù)的安全解決方案，因此，SecurCore系列微處理器除了具有ARM體系結(jié)構(gòu)的低功耗、高性能的特點(diǎn)外，還具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，即提供了對(duì)安全解決方案的支持。

SecurCore系列微處理器主要應(yīng)用于一些對(duì)安全性要求較高的應(yīng)用產(chǎn)品及應(yīng)用系統(tǒng)，如電子商務(wù)、電子政務(wù)、電子銀行業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)和認(rèn)證系統(tǒng)等領(lǐng)域。

SecurCore系列微處理器包含SecurCore SC100、SecurCore SC110、SecurCore SC200和SecurCore SC210四種類型，以適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合。

7) StrongARM微處理器系列

Inter StrongARM SA-1100處理器是采用ARM體系結(jié)構(gòu)高度集成的32位RISC微處理器。它融合了Inter公司的設(shè)計(jì)和處理技術(shù)以及ARM體系結(jié)構(gòu)的電源效率，采用在軟件上兼容ARMv4體系結(jié)構(gòu)、同時(shí)采用具有Intel技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的體系結(jié)構(gòu)。

Intel StrongARM處理器是便攜式通訊產(chǎn)品和消費(fèi)類電子產(chǎn)品的理想選擇，已成功應(yīng)用于多家公司的掌上電腦系列產(chǎn)品。

8) Xscale處理器

Xscale 處理器是基于ARMv5TE體系結(jié)構(gòu)的解決方案，是一款全性能、高性價(jià)比、低功耗的處理器。它支持16位的Thumb指令和DSP指令集，已使用在數(shù)字移動(dòng)電話、個(gè)人數(shù)字助理和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品等場(chǎng)合。Xscale 處理器是Intel目前主要推廣的一款A(yù)RM微處理器。

7 結(jié)語

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(gè)廠商得到的都是一套獨(dú)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(guó)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。同時(shí)隨著新的應(yīng)用的不斷產(chǎn)生，新的嵌入式微處理器也層出不窮，可見ARM微處理器的還有很大的發(fā)展空間。

參考文獻(xiàn)：

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