ARM簡介

  ARM(Advanced RISC Machines)是微處理器行業的一家知名企業,設計了大量高性能、廉價、耗能低的RISC處理器、相關技術及軟體。技術具有性能高、成本低和能耗省的特點。適用於多種領域,比如嵌入控制、消費/教育類多媒體、DSP和移動式應用等。

  ARM將其技術授權給世界上許多著名的半導體、軟體和OEM廠商,每個廠商得到的都是一套獨一無二的ARM相關技術及服務。利用這種合伙關係,ARM很快成為許多全球性RISC標準的締造者。

  目前,總共有30家半導體公司與ARM簽訂了硬體技術使用許可協議,其中包括Intel、IBM、LG半導體、NEC、SONY、菲利浦和國民半導體這樣的大公司。至於軟體系統的合伙人,則包括微軟、升陽和MRI等一系列知名公司。

  ARM架構是面向低預算市場設計的第一款RISC微處理器。

產品介紹

  ARM提供一系列內核、體系擴展、微處理器和系統晶片方案。

  由於所有產品均採用一個通用的軟體體系,所以相同的軟體可在所有產品中營運(理論上如此)。典型的產品如下。

   (1)CPU內核

  ARM7︰小型、快速、低能耗、集成式RISC內核,用於移動通信。

  ARM7TDMI(Thumb):這是公司授權用戶最多的一項產品,將ARM7指令集同Thumb擴展組合在一起,以減少內存容量和系統成本。

  同時,它還利用嵌入式ICE調試技術來簡化系統設計,並用一個DSP增強擴展來改進性能。該產品的典型用途是數字蜂窩電話和硬碟驅動器。
 
  ARM9TDMI:採用5階段管道化ARM9內核,同時配備Thumb擴展、調試和Harvard匯流排。在生產工藝相同的情況下,性能可達ARM7TDMI的兩倍之多。常用於連網和頂置盒。

  (2)體系擴展

  Thumb:以16位系統的成本,提供32位RISC性能,特別注意的是它所需的內存容量非常小。

  (3)嵌入式ICE調試

  由於集成了類似於ICE的CPU內核調試技術,所以原型設計和系統晶片的調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、封裝式常規系統微型處理器,配有高速緩存(Cache)、內存管理、寫緩沖和JTAG。廣泛應用於手持式計算、數據通信和消費類多媒體。

  ARM940T、920T系列:低價、低能耗、高性能系統微處理器,配有Cache、內存管理和寫緩沖。應用於進階引擎管理、保安系統、頂置盒、便攜計算機和高檔印表機。

  StrongARM:性能很高、同時滿足常規應用需要的一種微處理器技術,與DEC聯合研製,後來授權給Intel。SA110處理器、SA1100 PDA系統晶片和SA1500多媒體處理器晶片均採用了這一技術。

  ARM7500和ARM7500FE:高度集成的單晶片RISC計算機,基於一個緩存式ARM7 32位內核,擁有內存和I/O控制單元、3個DMA通道、片上視頻控制單元和調色板以及身歷聲端口;ARM7500FE則增加了一個浮點運算單元以及對EDO DRAM的支援。特別適合電視頂置盒和網路計算機(NC)。

  Windows CE的Pocket PC只支援ARMWindows CE可支援多種嵌入式處理器,但基於Windows CE的Pocket PC則只支援ARM一種。微軟在對SH3、MIPS、ARM等嵌入式處理器做了評估後認為,ARM是一種性價比較好的選擇。由於目前ARM在手持設備市場佔有90%以上的份額,只支援ARM,可以有效地縮短應用程式開發與測試的時間,也降低了研發費用。由於ARM開放其處理器授權,因此,用戶在市場上可以在多家整機廠商中進行選擇,從而保證了這一市場的競爭性。

ARM架構簡介

  ARM系列是英國先進RISC機器公司(Advanced RISC Machines,ARM)公司的產品[1]。第一個基於RISC指令集的ARM晶片是在1985年開始設計的,採用的是典型的32位RISC體系架構,其指令擁有4位的暫存器位址域,可以訪問R0-R15這16個暫存器。而其他的暫存器只有在特殊的情況下才可以訪問到。ARM使用了標準的、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當執行,這種模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.

  由於體系架構設計以及器件技術上的特點,使得ARM處理器可以與一些複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體系架構完全擴展到32位(原來的ARM處理器只有26位的位址空間),並將主頻提升到40MHz,另外還集成了一個8KB的Cache。比較有趣的是,ARM7可以支援一種稱為"Thumb"的模式,可以營運新的16位指令。這主要是透過在ARM7晶片的指令預取階段增加一個硬體,完成Thumb指令到正常的32位RISC指令的轉換來達到目的的。透過引入Thumb模式,只需要付出很少的硬體代價,就可以將代碼的密度提升大約25%-35%,並使得應用的營運更為迅速。

  1995年,ARM、Apple、DEC公司聯合聲明將開發一種用於PDA的高性能、低功耗的微處理器,主要是基於ARM體系架構的。DEC將自己在MPU設計上的優勢帶入ARM晶片設計中。一年後,StrongARM SA-110問世了,並成為嵌入式微處理器設計的一個里程碑。
StrongARM SA-110可以工作在200MHz,而能耗不到1瓦。在體系架構上,
StrongARM將原來ARM中的三級流水線擴展到五級,在器件工藝上,大量採用了最新的體系架構和器件技術,大大降低了晶片工作時的能耗。

  StrongARM的出現並不是ARM發展歷程上的唯一分支。1996年,ARM8發布了,採用同樣的五級流水線,並在72MHz條件下,達到了84MIPS的指標。而在1997年,ARM9內核採用了與StrongARM相同的五級流水線。ARM9TDMI在0.25um工藝條件下,可以在200MHz達到220MIPS的性能。ARM9的另外一個版本ARM9E對SIMD做了增強,包括8位和16位SIMD加法和減法,16位和32位乘法,以及相應的算術操作等.

  1997年,Intel接管了StrongARM,並開發了幾個後續產品。1998年,Intel開始用0.18um工藝生產StrongARM處理器。在1999年度嵌入式微處理器論壇上,Intel宣佈將在其第二代StrongARM中採用7級流水線,並在0.18um工藝條件下,達到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支援上的增強版本。它採用了類似Thumb的機製,透過很少的硬體代價,使大多數Java虛擬機位元組碼可以加速執行,更為複雜的Java虛擬機位元組碼可以透過軟體的模式執行。這樣,使得Java虛擬機位元組碼的執行速度提升了大約8倍左右。這對於嵌入式場合的Java應用無疑是極其有效的。

  ARM的成功在於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,根據市場需要進行功能的擴展,也是ARM取得成功的一個重要原素。隨著更多廠商的支援和加入,可以預見,在將來一段時間之內,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體廠商都從ARM公司購買ARM ISA許可。目前ARM系列晶片已經被廣泛的應用於移動電話、手持式計算機以及各種各樣的嵌入式應用領域,成為世界上銷量最大的32位微處理器。

  最新的市場詢問表明,ARM佔據了整個32位嵌入式微處理器市場的90%。
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