ARM应用笔记

一、ARM体系结构

  ARM是Advanced RISC Machines的缩写，是一家微处理器行业的知名企业，设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC （精简指令集）处理器。ARM公司只设计芯片，而不生产。它技术授权给半导体、软件和OEM厂商，并提供服务。

ARM体系结构的目前7个版本：

ARM V1版架构：只在原型机ARM1出现过，只有26位的寻址空间，没有用于商业产品。

ARM V2版架构：对V1版进行了扩展，例如ARM2和ARM3（V2a）架构。包含了对32位乘法指令和协处理器指令的支持。同样为26位寻址空间，现在已经废弃不再使用。

ARM V3版架构：1990年设计的第一个微处理器采用的是版本3的ARM6，作为IP核、的处理器、具有片上高速缓存、MMU和写缓冲的集成CPU，V3版架构（ 目前已废弃 ）对ARM体系结构作了较大的改动。

ARM V4版架构：V4版架构在V3版上作了进一步扩充，V4版架构是目前应用最广的ARM体系结构，ARM7、ARM8、ARM9和StrongARM都采用该架构。V4不再强制要求与26位地址空间兼容。

ARM V5版架构：V5版架构是在V4版基础上增加了一些新的指令，ARM10和Xscale都采用该版架构。

ARM V6版架构：V6版架构是2001年发布的，首先在2002年春季发布的ARM11处理器中使用。在降低耗电量地同时，强化了图形处理性能。

ARM V7版架构：ARMv7架构是在ARMv6架构的基础上诞生的。该架构采用了Thumb-2技术，是在ARM的Thumb代码压缩技术的基础上发展起来的，并且保持了对现存ARM解决方案的完整的代码兼容性。Thumb-2技术比纯32位代码少使用 31%的内存，减小了系统开销，同时能够提供比已有的基于Thumb技术的解决方案高出38%的性能。

命名方式上，基于ARMv7架构的ARM处理器已经不再延用过去的数字命名方式，而是冠以Cortex的代呼。基于v7A的称为“Cortex-A”，基于v7R的称为“Cortex-R”，基于v7M的称为“Cortex-M”。

1、ARM7微处理器系列

低功耗的32位RISC处理器，冯·诺依曼结构。

极低的功耗，适合便携式产品。

能够提供0.9MIPS的三级流水线结构代码密度高，兼容16位的Thumb指令集。主频最高可达130MIPS。

对操作系统的支持广泛，包括Windows CE、Linux、Palm OS等。

指令系统与ARM9系列、ARM9E系列和ARM10E系列兼容，便于用户的产品升级换代。

主要应用领域：工业控制、Internet设备、网络和调制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用

2、ARM7TDMI微处理器

ARM7I是使用广泛的32位嵌入式RISC处理器，属低端ARM处理器核。

注：“ARM核”并不是芯片，ARM核与其它部件如RAM、ROM、片内外设组合在一起才能构成现实的芯片。

4种类型： ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ。

3、ARM9微处理器系列

ARM9系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。5级整数流水线，哈佛体系结构。

支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。

全性能的MMU，支持Windows CE、Linux、Palm OS等多种主流嵌入式操作系统。

主要应用：无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数码照相机和数码摄像机。 

3种类型：ARM920T、ARM922T和ARM940T。

4、ARM9E微处理器系列

单一处理器内核提供微控制器、DSP、Java应用系统的解决方案，支持DSP指令集。

5级整数流水线，指令执行效率更高。支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。

支持VFP9浮点处理协处理器。 

全性能的MMU，支持Windows CE、Linux、Palm OS等多种主流嵌入式操作系统。MPU支持实时操作系统。

支持数据Cache和指令Cache，主频最高可达300MIPS。

 主要应用：下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、存储设备和网络设备等领域。 

 3种类型：ARM926EJ-S、ARM946E-S和ARM966E-S。

5、ARM10E微处理器系列

与同等的ARM9比较，在同样的时钟频率下，性能提高了近50%，功耗极低。支持DSP指令集。

6级整数流水线，指令执行效率更高。支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。

支持VFP10浮点处理协处理器。

全性能的MMU，支持Windows CE、Linux、Palm OS等多种主流嵌入式操作系统。

支持数据Cache和指令Cache。 主频最高可达400MIPS。

内嵌并行读/写操作部件。

主要应用：下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、通信和信息系统等领域。

3种类型：ARM1020E、ARM1022E和ARM1026EJ-S。

6、ARM11微处理器系列

ARM1136J-S发布于2003年，针对高性能和高能效的应用而设计。

集成具有load-store和算术流水线的8级流水线。

可进行快速浮点运算，增加了向量浮点单元。

7、ARM Cortex微处理器系列

（1）ARM Cortex-M

ARM Cortex-M3处理器是面向低成本，小管脚数目以及低功耗应用，且具有高运算能力和中断响应能力的处理器32位内核。

Cortex-m3处理器采用了纯Thumb-2指令。

中断延迟最大需12个周期（ARM7为24~42个）。

带睡眠模式，8段MPU（存储器保护单元）。

处理速度1.25MIPS/MHz（ARM7为0.9MIPS/MHz）。

功耗为0.19Mw/MHz（ARM7为0.28mW/MHz）。

目前最便宜的Cortex-M3内核的ARM单片机售价1美元。

（2）ARM Cortex-R

ARM Cortex-R系列处理器目前包括ARM CortexR4和ARM Cortex-R4F两个型号，主要适用于实时系统的嵌入式处理器，如硬盘、打印机、汽车安全系统。

ARM CortexR4采用了90纳米生产工艺，最高运行频率可达400MHz。基于低耗费的超量8段流水线，带有高级分支预测功能，运算速度超过1.6MPIS/MHz。

ARM Cortex-R4F拥有针对汽车市场而开发的各项先进 功能，包括自动除错功能、可相互连结的错误侦测机制，以及可选择优化的浮点运算单元(FPU，Floating-Point Unit)。

（3）ARM Cortex-A

ARM v7-A系列支持大型嵌入式操作系统（Symbian、Linux、WinCE、WM等）。典型应用：高端手机、手持仪器。

ARM Cortex-A8处理器是基于ARMv7架构的首款应用级处理器。

运算能力：600MHz~1GHz。

具有13级整数运算流水线，10级NEON媒体运算流水线。

功耗最优的同时，实现2.0MIPS/MHz的性能。

三、Cortex-M3

8、特点

采用哈佛结构，有的指令总线I-Code和数据总线D-Code，具有带分支预测功能的3级流水线。

32位单周期乘法，支持硬件除法。

内核水平上支持低功耗模式，功耗低于0.19mW/MHz；

处理器直接支持8位字节、16位半字或者32位的数据类型。

3级流水线：取指、译码、执行。

无论处理器处于何种状态，程序计数器R15（PC）总是指向“正在取指”的指令。PC值=当前程序执行位置+4