arm实战篇嵌入式系统实战开发-01.处理概述

第一章

ARM处理器概述ARM处理器概述目标学员：初级开发者课程时长：1学时，40分钟本章1324处理器简介ARM公司发展史ARM体系结构名规则ARM系列处理器5ARM微处理器的应用领域及特点课程目标与重点难点理解

处理器概念；了解ARM系列处理器发展史及各自的特点；掌握ARM处理器的特点；ARM系列处理器各自的特点课程1324处理器简介ARM公司发展史ARM体系结构名规则ARM系列处理器5ARM微处理器的应用领域及特点根据IEEE（国际电气和电子工程师

）的定义：系统:是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”（原文为devices

used

to

control,

monitor,or

assist

theoperation

of

equipment,machinery

or

plants）。1.1处理器简介处理器的定义:是 系统的 ，是控制、辅助系统运行的硬件单元。范围极其广阔，从最初的４位处理器，目前仍在大规模应用的8位单片机，到

的受到广泛青睐的32位，64位

CPU。注:可以看出此定义是从应用上考虑的，，还可以涵盖机电等附属装置系统是硬件的综合体微处理器分类微控制器（MCU）DSP处理器

(DSP)处理器微处理器(MPU)片上系统(System

On

Chip)系统的

是 微处理器。 微处理器一般具备以下4个特点:对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使

的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。具有功能很强的区保护功能。这是由于系统的结构已模块化，而为了避免在

模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的

区保护功能，同时也有利于。可扩展的处理器结构，以能最迅速地开发出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。

微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的系统更是如此，如需要功耗只有mW甚至μW级。微处理器1和工业控制计算机相比，可靠性高的优点。目前主要的微处理器具有体积小、重量轻、成本低、处理器类型有Am186/88、386EX、SC-400、Power

PC、68000、MIPS、ARM/StrongARM、ARM9、ARM11、CortexA8系列等微处理器2微控制器(MCU)和微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称微控制器。微控制器的典型代表是单片机，这种８位的电子器件目前在设备中仍然有着极其广泛的应用。单片机

集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、FlashRAM、EEPROM等各种必要功能和外设。DSP处理器DSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，具有很高的编译效率和指令的执行速度。在数字滤波、FFT、谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。DSP的理论算法在70年代就已经出现，但是由于专门的DSP处理器还未出现，所以这种理论算法只能通过MPU等由分立元件实现。1982年世界上诞生了首枚DSP

。在语音

和编码

器中得到了广泛应用。DSP的运算速度进一步提高，应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。目前最为广泛应用的

DSP处理器是TI的TMS320C2000/C5000系列，另外如In

的MCS-296和

的TriCore也有各自的应用范围。典型代表:TI的TMS320C2000/C5000系列,DM系列SoC片上系统SoC就是System

on

Chip，SoC系统。系统微处理器就是一种电路它结合了许多功能区块，将功能做在一个上，像是ARM

RISC、MIPS

RISC、DSP或是其他的微处理器，加上通信的接口单元，像是通用串行端口（USB）、TCP/IP通信单元、GPRS通口、GSM通口、IEEE1394、蓝牙模块接口等等，这些单元以往都是依照各单元的功能做成一个个独立的处理。SOC最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。系统系统的

主要有三种操作系统：多道批量处理操作系统，实时系统和分时系统。其中实时系统又分为两类：硬实时系统和软实时系统。

系统越来越追求数字化、网络化和智能化。因此原来在某些设备或领域中占主导地位的

系统越来越难以为继，整个系统必须是开放的、提供标准的API，并且能够方便地与众多第

的软硬件沟通。Linux是开放源码的，不存在黑箱技术，遍布全球的众多Linux者又是Linux开发的强大技术后盾。Linux的内核小、功能强大、运行稳定、系统健壮、效率高，易于定制剪裁，在价格上极具竞争力。Linux不仅支持x86

CPU，还可以支持其他数十种CPU

。功耗：为减小功耗，

微处理器设计了的三种运行模式。代码

密度：RISC指令集计算机由于要求指令编码长度固定，往往需要 的指令来完成，从而增加了代码长度。集成度： 微处理器一般都为 市场设计的，需要较高的集成度。多 加速：在传统的微处理器指令集的基础上增加JPEG和MPEG解压缩的离散余弦变换指令。处理器评价指标本环节主要学习

处理器的概念，及嵌入

式处理器的分类，针对

系统的

嵌入式微处理器的特点及应用价值做了详细介绍。

最后通过功耗、代码

密度、多

加速等指标对

处理器的性能方面进行参考评价。课程1324处理器简介ARM的定义ARM体系结构名规则ARM系列处理器5ARM微处理器的应用领域及特点ARM（Advanced

RISC

Machines）：是一种32位微处理器体系结构。ARM不是单片机，准确来讲ARM是一种处理器的IP核：

ARM公司是专门从事基于RISC技术的 设计开发的公司。ARM的概念ARM公司最初成立于1981年，Acorn电脑公司（Acorn

Computers

Limited）于1983年开始的发展计划的团队由RogerWilson和Steve

Furber带领，最初与英国

合作为英国教育界设计小型机，着手开发一种新架构第一款 ARM1在1985年被设计出来，次年又设计出真正实用的ARM2处理器，ARM2是具有32位数据总线和24位地址总线，并带有16个寄存器，可以说是当时最简化的32位微处理器，他们设计的

也采用RISC体系结构，并命名为“Acorn

RISCMachine”。Acorn电脑公司基于1990年的设计团队另组成一家名为Advanced

RISCARM公司发迹史1Machines公司的.的新公司。此后Advanced

RISC

Machine公司成为ARM商标VLSI

率先获得

一年后夏普和GEC

Plessey

也成为

用户。1993

年德州仪器和Cirrus

Logic

亦签署了

协议从此ARM的知识产权产品和

用户都急剧扩大。1993

年Nippon

Investment

andFinance

(NIF)

成为ARM股东后，ARM开始向全球拓展，分别在亚洲美国和欧洲设立了办事处。1998

年4月ARM

在伦敦

交易所和纳斯达克

交易所上市。ARM

现已发展成为一家全球性大公司，在3大洲8个国家设有分支机构，雇员超过720

人。公司在英国布莱克本、

和舍菲尔德法国Sophia

Antipolis

以及

加州WalnutCreek

和德州奥斯丁设有研发中心，并在法国、德国、

、韩国、中国

、以色列英国和美国建立了销售、行政和技术支持办事处。ARM

中国于在2002年7

月成立

。ARM公司发迹史21991

年ARM

推出首个

RISC——ARM6™系列处理器后本环节主要学习ARM的概念，及ARM做为一种处理器的IP核在应用方面的优势，并对ARM公司的成长历程做了详细阐述。课程1324处理器简介ARM公司发展史ARM体系结构名规则ARM系列处理器5ARM微处理器的应用领域及特点ARM产品通常以ARM【x】【y】【z】【T】【D】【M】【I】【E】【J】【F】【－S】形式出现。ARM体系结构

名规则后缀变量含义x系列。如arm7、arm9y管理/保护单元zCacheTThumb16位译DJTAG调试器M快速乘法器I宏单元E增强指令（基于TDMI）JJazelle加速F向量浮点单元S可综合版本ARM名规则课程1324处理器简介ARM公司发展史ARM体系结构名规则ARM系列处理器5ARM微处理器的应用领域及特点ARM处理器当前有6个产品系列：ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、ARM11和SecurCore，其中ARM11为最近推出的产品。进一步产品来自于合作伙伴，例如三星的S3C6410和TI公司的OMP3530等CPU。ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10是4个通用处理器系列。每个系列提供一套特定的性能来满足设计者对功耗、性能、体积的需求。SecurCore是第5个产品系列，是专门为

而设计的。ARM系列处理器ARM7内核是冯诺伊曼体系结构，数据和指令使用同一条总线。内核有一条3级流行线。ARM7系列处理器具有下面一些主要特点:成

大批量的32位RICS最高主频到达130Mhz功耗低代码密度高，兼容16位微处理器开发工具多、EDA仿真模型多调试机制完善提供0.25µm、0.18µm及0.13µm的生产工艺ARM7系列ARM9采用了5级指令流水线，ARM9处理器能够运行在比ARM7更高的时钟频率上，改善了处理器的整体性能。ARM9系列:ARM9系列的第一个处理器是ARM920T，包含独立的数据指令Cache和MMUARM922T是ARM920T的变种，只有一半大小的数据指令CacheARM9E系列:ARM9系列的下一个处理器是基于ARM9E－S内核的。这个内核是ARM9内核带有E扩展的一个可综合版本。它有2个变种：ARM946E－S和ARM966E－S。ARM9系列的

内核是ARM926EJ-S可综合的处理器内核，发布于2000年。它是针对小型便携式Java设备，诸如3G和PDA应用而设计的。ARM9系列ARM10/11系列ARM10系列:发布于1999年，具有高性能、低功耗的特定。它所采用的新的体系使其在所有ARM产品中具有最高的MIPS/MHz。它占有针对高性能设计，将ARM9的流水线扩展到6级。ARM10E系列包括ARM1020E、ARM1022E和ARM1026EJ－S

3种类型。ARM11系列:ARM1136J-S发布于2003年，是针对高性能和高能效应而设计的。是第一个执行ARMv6架构指令的处理器。它集成了一条具有独立的Load/Stroe和算术流水线的8级流水线。ARMv6指令包含了针对

处理的单指令流多数据流扩展，才用特殊的设计，以改善

处理能力。ARM

SecurCore/Cortex-A8系列SecurCore系列:SecurCore系列处理器提供了基于高性能的32位RISC技术的安全解决方案。SecurCore系列处理器除了具有体积小、功耗低、代码密度高等特点外，还具有它自己特别优势，即提供了安全解决方案支持。。SecurCore系列包含SecurCore

SC100、SecurCore

SC110、SecurCoreSC200和SecurCore

SC2104种类型。ARMCortex-A8系列:ARM推出了ARM

Cortex-A8处理器是第一款基于ARMv7架构的应用处理器，并且是有史以来ARM开发的性能最高、最具功率效率的处理器。Cortex-A8处理器是ARM的第一款

量处理器，具有提高代码密度和性能的技术，用于多

和信号处理的NEON™技术，以及用于高效地支持预编译和即时编译Java及其他字节码语言的Jazelle运行时间编译目标（RCT）技术。本环节主要学习ARM处理器的6个产品系列：ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、ARM11和SecurCore，及每个系列产品所具有的在功耗、性能、体积等方面的性能。ARM7内核是冯诺伊曼体系结构，数据和指令使用同一条总线，内核有一条3级流行线。ARM9系列采用了5级指令流水线，ARM9处理器比ARM7具有更高的时钟频率，器系统根据哈佛体系结构重新设计，区分了数据和指令总线。ARM11在针对处理的单指令流多数据流进行了扩展，才用特殊的设计，以改善

处理能力。ARM推出了ARMCort