1、第 2 章 ARM体系结构第 2 章 ARM体系结构2.1 常用嵌入式处理器芯片常用嵌入式处理器芯片2.2 ARM处处理器体系结构理器体系结构习习题题第 2 章 ARM体系结构嵌入式系统硬件层的核心是嵌入式微处理器，嵌入式微处理器有各种不同的体系，即使在同一体系中也可能具有不同的时钟频率和数据总线宽度，或集成了不同的外设和接口。据不完全统计，目前全世界嵌入式微处理器已经超过 1000 多种，体系结构有 30 多个系列，其中主流的体系有 ARM、MIPS、PowerPC 等。嵌入式微处理器的选择是根据具体的应用而决定的。第 2 章 ARM体系结构英国 ARM公司的 CPU凭借功耗较低、成本均衡、
2、架构灵活等特性及特有的 16/32 位双指令集，已成为移动通信、手持计算、多媒体数字消费等嵌入式解决方案的 RISC 标准，占领了绝大多数移动市场的份额，平板电脑也大多采用 ARM处理器。第 2 章 ARM体系结构2.1 常用嵌入式处理器芯片常用嵌入式处理器芯片据统计，在嵌入式微处理器市场占有率上，ARM处理器占市场的 79.5%，MIPS 处理器占市场的 13.9%，SUN 公司的 microSPARC 处理器占市场的 3.1%，IBM 的 PowerPC 处理器占市场的 2.8%，其他处理器占市场的 0.8%。第 2 章 ARM体系结构如图 2-1 所示为 ARM公司的商业模式，即生态链。
3、ARM公司的成功除了其卓越的芯片设计技术以外，还源于其创新的商业模式：提供技术许可的知识产权，而不是制造和销售实际的半导体芯片。ARM将其芯片设计技术(内核、体系扩展、微处理器和系统芯片方案)授权给 Intel、Samsung、TI、高通、意法半导体等半导体制造商，这些厂商拿到 ARM内核以后，再设计外围的各种控制器，和 ARM核整合成一块 SoC芯片，也就是我们看到的市面上的各种芯片，作为用户，我们也许不知道我们使用的是 ARM芯片，但是我们可能天天都在感受着 ARM芯片带给我们的智能体验。第 2 章 ARM体系结构 ARM公司正是因为没有自己生产芯片，省去了 IC 制造的巨额成本，因此可以
4、专注于处理器内核设计本身，ARM处理器内核不但性能卓越而且升级速度很快，以适应市场的变化。由于所有的 ARM芯片都采用一个通用的处理器架构，所以相同的软件可以在所有产品中运行，这正是 ARM最大的优势，采用 ARM芯片无疑可以有效缩短应用程序开发与测试的时间，也降低了研发费用。第 2 章 ARM体系结构图 2-1 ARM公司的商业模式第 2 章 ARM体系结构2.1.1 ARM处处理器内核版本理器内核版本 ARM架构自诞生至今，已经发生了很大的演变，至今已定义了 8 种不同的版本。ARM处理器核使用的体系结构如表 2-1所示。第 2 章 ARM体系结构第 2 章 ARM体系结构v7 版架构：A
5、RM体系架构 v7 是 2005 年发布的。它使用了能够带来更高性能、功耗效率和代码密度的Thumb2 技术。它首次采用了强大的信号处理扩展集，对 H.264 和 MP3等媒体编解码提供加速。第 2 章 ARM体系结构v8 版架构：ARMv8 是在 32 位 ARM架构上进行开发的，将被首先用于对扩展虚拟地址和 64 位数据处理技术有更高要求的产品领域，如企业应用、高档消费电子产品。ARMv8 架构包含两个执行状态：AArch64 和 AArch32。AArch64 执行状态是针对 64 位处理技术，引入了一个全新指令集 A64；而 AArch32 执行状态将兼容现有的 32 位 ARM指令集
6、。第 2 章 ARM体系结构配合 ARMv8 架构的推出，ARM正在努力确保一个强大的设计生态系统来支持 64 位指令集。ARM的主要合作伙伴已经能够获得支持 ARMv8 架构的 ARM编译器和快速模型。在新架构的支持下，一系列开源操作系统、应用程序和第三方工具的开发已经在开展中。如图 2-2 所示为最新几种版本的 ARM架构图，从中可以看到新加功能。第 2 章 ARM体系结构图 2-2 ARM架构图第 2 章 ARM体系结构2.1.2 处理器性能指标处理器性能指标 如图 2-3 所示，描述处理器时会采用下列技术指标。图 2-3 ARM体系结构的流水线结构、制程工艺第 2 章 ARM体系结构(
7、1)CPU的主频。即 CPU内核工作的时钟频率，如主频为 1.3 GHz。CPU的主频不代表 CPU的速度，但高频的 CPU使程序运行更快并节省电量。(2)制程工艺。“45 nM”即 45 纳米(4510-9米)，指的是生产芯片时的精度，数字越小，精度越高，工艺也就越先进。在同样的材料中可以制造更多的电子元件，连接线也更细，CPU的集成度自然更高，功耗也会随之变得更小。第 2 章 ARM体系结构(3)流水线。“13stAge”指的是 13级流水线技术，通过多个功能部件并行工作来缩短程序执行时间，提高处理器的效率和吞吐率。(4)功耗。许多嵌入式 ARM处理器的系统都是采用电池供电的方式，系统的功
8、耗不仅仅取决于处理器，具体芯片设计和集成到芯片内部的外围模块也将影响片上能量的消耗，8位或 16 位微处理器的功耗水平为 0.252.5 MW/MHz，新型的低功耗CPU甚至可以在低于1.8v 的电压下工作，不同的CPU在睡眠模式下的电流消耗是 150 A。第 2 章 ARM体系结构(5)工作速度 MIPS。ARM公司一般用 DMIPS MHz来标称 ARM核心的性能。DMIPS是 Dhrystone Million Instructions exected Per Second 的缩写，反映核心的整数计算能力。一个处理器达到 2000 DMIPS 的性能是指这个处理器测整数计算能力为(200
9、0100 万)条指令/秒。MFLOPS是 Million Floating point Ooerations Per Secind的缩写，主要用于测浮点计算能力。第 2 章 ARM体系结构2.1.3 ARM处处理器内核类型理器内核类型 常见的 ARM处理器内核如表 2-2 所示，表中列出了目前各种处理器生产厂家及型号。第 2 章 ARM体系结构第 2 章 ARM体系结构第 2 章 ARM体系结构第 2 章 ARM体系结构第 2 章 ARM体系结构第 2 章 ARM体系结构 1.ARM7系系 列列 ARM7体系结构具有三级流水线、空间统一的指令与数据 Cache、平均功耗为0.6 mW/MHz、
10、时钟速度为 66 MHz、每条指令平均执行 1.9 个时钟周期等特性。其中的 ARM710、ARM720 和 ARM740 为内带 Cache的 ARM核。ARM7指令集同Thumb指令集扩展组合在一 起，可以减少内存容量和系统成本，同时，它还利用嵌入式 ICE 调试技术来简化系统设计，并用一个DSP增强扩展来改进性能。ARM7体系结构是小型、快速、低能耗、集成式的 RISC 内核结构。第 2 章 ARM体系结构 2.ARM9 系列系列 ARM9 处理器采用 ARMv4 哈佛体系结构。这种体系结构由于程序和数据存储器在两 个分开的物理空间中，因而取指和执行能完全重叠。ARM9 采用五级流水处理
11、及分离的 Cache 结构，平均功耗为 0.7 m/MHz。时钟速度为 120200 MHz，每条指令平均执行 1.5 个时钟周期。ARM9 处理器同时也配备Thumb指令扩展、调试和哈佛总线。在生产工艺相 同的情况下，ARM9 处理器的性能是 ARM7DM 处理器的两倍之多。常用于无线设备、仪 器仪表、联网设备、机顶盒设备、高端打印机及数码相机应用中。第 2 章 ARM体系结构 目前主流的 ARM9 内核是 ARM920、ARM922T、ARM940。相关的处理器芯片有 SAM sung 公司的 S3C2410、S3C2510 和 Cirrus 公司的 EP93xx 系列等。ARM9E 内核
12、是在 ARM9 内核的基础上增加了紧密耦合存储器 TCM 及DSP部分。主流的 ARM9 内核是 ARM926EJS、ARM946ES、ARM966ES 等。应用案例：TIOMAP 1710。诺基亚 N73、诺基亚 E65、三星 SGH600 等手机采用的都 是该处理器，米尔科技的 MYS SAM95 系列工控开发板也采用了该处理器。第 2 章 ARM体系结构 3.ARM11 系列系列 ARM11 处理器系列可以在使用 130 nM 工艺技术、小至 2.2 MM2 芯片面积和低至 0.24 MMHz的前提下达到高达 500MHz的性能表现。ARM11 处理器系列以众多消费产 品市场为目标，推出
13、了许多新的技术，包括针对媒体处理的 SIMD，用以提高安全性能的 Trust Zone技术，智能能源管理(IEM)，以及需要非常高的、可升级的超过 2600 Dhrystone 2.1 MIPS 性能的系统多处理技术。第 2 章 ARM体系结构 应用案例：高通 MSM7225(HTCG8)、MSM7227(HTC G6、三星 S5830、索尼爱立信 X8 等)、Tegra APX2500、博通 BCM2727(诺基亚 N8)、博通 BCM2763、Telechip8902(平板电脑)。第 2 章 ARM体系结构 4.Secure Core 系列系列 Secure Core 系列处理器提供了基于
14、高性能的 32 位 RISC 技术的安全解决方案，该系列处理器具有体积小、功耗低、代码密度大和性能高等特点。最为特别的就是该系列处理器提 供了安全解决方案的支持。采用软内核技术，以提供最大限度的灵活性，以及防止外部对 其进行扫描探测，提供面向智能卡的和低成本的存储保护单元 MPU，可以灵活地集成用户 自己的安全特性和其他的协处理器，目前有包括SC100、SC110、SC200、SC210 四种产品。第 2 章 ARM体系结构 5.Strong ARM系列和系列和 XAcale系列系列 在 PDA领域，Intel 的StrongARM和 XAcale处理器占据举足轻重的地位，这两者在架构上 都属
15、于 ARM体系，相当于 ARM的一套实际应用方案。它是 Intel 公司基于 ARMv5TE 处理器 发展出的产品，当年 ARM推出嵌入式核心之后，DEC 公司获得许可并在此基础上开发出增强 版的 StrongARM处理器，后来 DEC 公司被康柏收购，而 StrongARM核心则被 Intel 买走，属于 该体系的 SA1110 处理器被长时间用于 Pocker PC 中(DA 中的一种，采用 Windows CE 操作系 统)。第 2 章 ARM体系结构 在指令集结构上，XScale仍然属于 ARM的“v5TE”体系，与 ARM9、10 系列内核相同，但它拥有与众不同的 7 级流水线，除了
16、无法直接支持 Java 解码和 v6 SIMD 指令集外，各项 性能参数与 ARM11 核心都比较接近。再结合 Intel 在半导体制造领域的技术优势，XScale获得了极大的性能提升，它的最高频率可达到 1 GHz，并保持 ARM体系一贯的低功耗特 性。加上丰富的软件支持、强大的扩展能力和附属功能，以及 Intel 在业界的巨大影响力，XScale被广泛应用于 Pocker PC 和 Palm平台的 PDA 产品中，成为该领域的事实主宰者。第 2 章 ARM体系结构 6.MIPS 处理器处理器 MIPS 科技公司是全球第二大半导体设计 IP(知识产权)公司和全球第一大模拟 IP 公 司。MI
17、PS 技术公司则是一家设计制造高性能、高档次及嵌入式 32 位和 64 位处理器的厂 商。MIPS 的意思“无内部互锁流水级的微处理器”其机制是尽量利用软件办法避免流水线中的数据相关问题。它最早是在 20 世纪 80 年代初期由斯坦福大学 Hrnnessy 教授领导的研究小组研制出来的。第 2 章 ARM体系结构 在通用方面，MIPS R 系列微处理器用于构建 SGI 的高性能工作站、服务器和超级计算 机系统。在嵌入式方面，MIPS 系列微处理器是目前仅次于 ARM的用得最多的处理器之 一(1999 年以前 MIPS 是世界上用得最多的处理器)，其应用领域覆盖游戏机、路由器、激 光打印机、掌上
18、电脑等各个方面。如 Linksys的宽带设备、索尼的数字电视和娱乐系统、先 锋的 DVD刻录设备、摩托罗拉的数字机顶盒、思科的网络路由器、Microchip 的 32 位微控 制器和惠普的激光打印机。第 2 章 ARM体系结构 7.PowerPC PowerPC 是由苹果(Apple)公司和 iMB 以及早期的 Motorola(现在的飞思卡尔半导体)组成的联盟共同设计的微处理器架构，以对抗在市场上占有压倒优势的 x86 处理器。PowerPC 在中国市场也有着不错的表现，尤其是飞思卡尔还在西安设有芯片的研发中 心，正在大力推广其 PowerPC 芯片的应用，估计一些高端嵌入式市场未来将会向
19、PowerPC 倾斜。第 2 章 ARM体系结构 PowerPC 主要的应用领域包括：苹果公司生产的笔记本、图形工作站、台式机等；IBM 公司生产的服务器、工作站以及台式机等；用于军工、工控、通信、消费电子以及航天等领 域的嵌入式微处理器。综上所述，PowerPC 的高性能确实是很多高端嵌入式应用领域的首选，当然 PowerPC 芯片的价格较高，功耗也比 ARM要大，所以手机上从来不用 PowerPC 的芯片，软件对 Pow-erPCC 的支持也略显不够。第 2 章 ARM体系结构 8.ARMCortex系列系列 目前，随着对嵌入式系统的要求越来越高，作为其核心的嵌入式微处理器的综合性能 也受
20、到日益严峻的考验，最典型的例子就是伴随 4G 网络的推广，对手机的本地处理能力要 求也越来越高，现在一个高端的智能手机的处理能力几乎可以和几年前的笔记本电脑相 当。为了迎合市场的需求，ARM公司也在加紧研发他们最新的 ARM架构，Cortex系列就是 这样的产品。第 2 章 ARM体系结构 ARMCortex系列处理器基于 ARMv7 架构，又分为CortexM、Cortex-R 和Cortex-A三 类，ARMCortex系列的三款产品全都集成了 Thu MB-2 指令集，从尺寸和性能方而来看，既有少于 33000 个门电路的CortexM 系列，也有高性能的Cortex-A系列，可满足日益
21、增 长的各种不同的市场需求，如图 2-4 所示。第 2 章 ARM体系结构图 2-4 满足不同需求的 ARM处理器系列第 2 章 ARM体系结构 9.高性能处理器高性能处理器 随着智能手机、平板电脑、网络机顶盒等电子产品的极速发展，现在的高性能处理器 也应用在消费电子类产品中。1)三星处理器 相比其他手机处理器厂商，三星不仅拥有自主研发手机处理器的核心技术，旗下的工 厂还拥有自主生产手机处理器的工艺实力，完全无需像高通等厂商一样还需寻求台企台积 电等第三方代工厂进行生产。虽然三星推出的手机处理器产品型号并不多，但每款处理器 的性能在同级产品中均有显著的优势，包括单核时代的蜂鸟以及双核四核时代的
22、猎户座处 理器，都给用户留下了深刻的印象。第 2 章 ARM体系结构 如表 2-3 所示为各款三星处理器型号及性能参数。三星自主研发的处理器一般都是自产自销(少量供应给其他厂商，如魅族)，广泛应用 在三星高端智能手机或平板上。三星电子不仅在手机处理器方面成绩斐然，而且在手机内存（三星存储器、现代存储 器）以及显示屏（曲面屏）等关键元器件上均拥有业界领先的核心技术以及生产实力，这种 全产业链整合的超强实力是其他任何竞争对手所不可匹敌的。第 2 章 ARM体系结构第 2 章 ARM体系结构 作为三星的最大竞争对手和合作伙伴，苹果手机中的处理器多为三星为苹果手机定制 或改进版。如表 2-4 所示为现
23、有苹果手机选用的处理器。第 2 章 ARM体系结构 图 2-5、图 2-6 所示为三星为 iPhone 6S 生产的 A9 芯片及其芯片介绍。图 2-5 iPhone 6 逻辑板正面的 C 芯片第 2 章 ARM体系结构图 2-6 iPhone 6 逻辑板背部的 C 芯片第 2 章 ARM体系结构 2)高通处理器 高通公司总部位于美国加利福尼亚州圣迭戈市，高通是一家美国的无线电 通信技术研发公司，成立于 1985 年 7 月，高通公司业务涵盖技术领先的 3G、4G 芯片组、系统软件以及开发工具和产品，技术许可的授予，BREW 应用开发平台，QChat、BRE ChatVoIP解决方案技术，QP
24、oint 定位解定位解决方案，Eudora 电 电子邮件软件，包括双向数据通信 系统、无线咨询及网络管理服务等的全面无线解决方案，MesiaFLO系 系统和 GSM1x技术等。美国高通公司拥有所有 3000 多项 CDMA 及其他技术的专利及专利申请。高通已经向全球 125 家以上电信设备制造商发放了 CDMA 专利许可。第 2 章 ARM体系结构 如今全新的骁龙处理器系列将会延伸至更多的消费类电子产品。其中：(1)骁龙 800 系列针对高端智能手机、智能电视、数字媒体适配器和平板电脑，如高通 骁龙 805、810，采用全新架构的四核芯片的新一代骁龙 820。(2)骁龙 600 系列针对中高端
25、智能手机和平板电脑，如 64 位移动系统芯片骁龙 610、615 和 620。第 2 章 ARM体系结构 (3)骁龙 400 系列针对大众市场智能手机和平板电脑，如 400 双核和 410 四核，红米 note手机选用此系列处理器。(4)骁龙 200 系列针对入门级智能手机和平板电脑，如高通骁龙 210 处理器是基于 A7 架构的四核处理器，定位于 500 元左右低端 4G 入门机。第 2 章 ARM体系结构 3)联发科处理器 台湾联发科技股份有限公司(以下简称“联发科”)是全球著名 IC 设计厂商，专注于无 线通信及数字多媒体等技术领域。其提供的芯片整合系统解决方案，包含无线通信、高清 数字
26、电视、光储存、DVD及蓝光等相关产品。联发科成立于 1997 年，已在台湾证券交易所 公开上市。总部设于中国台湾地区，并于中国大陆、印度、美国、日本、韩国、新加坡、丹 麦、英国、瑞典及阿联酋等国家和地区设有销售或研发团队。第 2 章 ARM体系结构 目前，联发科智能手机的客户主要有联想、中兴、华为、波导、OPPO、金立等几家。联 发科发家于山寨手机、功能机，目前除了高端产品供应商高通之外，外资厂商博通和英特尔也已经进入了智能手机芯片领域。在低端市场，与联发科杀得火热的 厂商还有晨星半导体、展讯通信和锐迪科等。第 2 章 ARM体系结构 除了以上厂家之外，还有 Marvell(取名美满电子科技，
27、在上海有研发中心，继承自Intel嵌入式 SoC，2008 年移动第一代 3G手机选用Marvell PXA920处理器)、NXP(荷兰恩智 浦)、TI(美国德州仪器)、Freescale(美国飞思卡尔)、Atmel（(美国爱特美尔)等公司生产的 基于Cortex-M0/3/4 核的低功耗、工业用途处理器，Inte(美国英特尔)公司 cale核的 PXA250/270 等。如表 2-5 所示为 2015 年手机处理器排行前十位。第 2 章 ARM体系结构第 2 章 ARM体系结构 10.图形处理器图形处理器 目前，市场上主流的图形处理器有 ARM Mali、PowerVR SGX、高通 Adr
28、eno、NVIDIA Tagra 2 四大系列，并已实现全面升级。(1)ARM Mali 系列是 ARM公司官方为了配合 ARM处理器而推出的，目前 ARM Mali 硬件 IP 有 Mali-55、Mali-200、Mali-300、Mali-400 M 和Mali T-604 五款，Mali-400 MP 的性能是本系列中最高的，代表产品有音悦汇 10、三星 Galaxy s2 等。第 2 章 ARM体系结构 (2)PowerVR SGX系列是由 ImaginationTechnologies公司出品，目前市场上是以第五代 产品为主打，即 PowerVR SGX 530/535/540/5
29、43MP。SGX535 被苹果公司的 iPhone 4 和 iPAD采用；SGX540 性能更加强劲，在三星 Galaxy Tab与魅族 M9 上采用；而 SGX543M 作为新 一代最强新品，目前已成为苹果 iPAD2和索尼 NGP 的图形内核。第 2 章 ARM体系结构 (3)Adreno 系列由高通公司出品，主要是用来配合Snapdragon CPU，目前常见的产品 有 Adreno200/205/220/300，而 Adreno 205 是目前的主打型号，性能和SGX540 基本相当，同样得到了索爱、HTC等品牌的青睐。(4)Tegra 2 是老牌显卡厂家 NVIDIA 的力作，其集成
30、的 GPU 型号虽然不明，但是作为 实力强劲的老牌显卡厂家，性能表现的确是一流的，超越了 SGX540 和 Adreno205，在摩托 罗拉 XOOM、LGG-Slate等产品中得以广泛采用，但与新一代 SGX543M 相比仍存在一定 差距。第 2 章 ARM体系结构 11.典型的中国处理器芯片典型的中国处理器芯片 ARM已经与中兴、华为、东南大学、上海集成电路设计中心、中芯国际和大唐电信签 订了技术授权协议，并建立了 ARM上海研发中心。如图 2-7 所示为 ARM公司在中国的合 作伙伴。第 2 章 ARM体系结构图 2-7 ARM公司在中国的合作伙伴第 2 章 ARM体系结构 目前国内自产
31、的微处理器系列有以下 几种。1)龙芯处理器 龙芯是中国科学院计算所自主研发的通用 CPU，采用简单指令集，类似于 MIPS 指令 集。龙芯 1 号的频率为 266 MHz，最早在 2002 年开始使用。龙芯 2 号的频率最高为1 GHz。龙芯 3A 是首款国产商用 4 核处理器，其工作频率为 900 MHz1 GHz。龙芯 3A 的峰值计算 能力达到 16GFLOPS。龙芯 3B 是首款国产商用 8 核处理器，主频达到 1 GHz，支持向量运算 加速，峰值计算能力达到 128GFLOPS，具有很高的性能功耗比。2015 年 3 月 31 日中国发射 首枚使用“龙芯”的北斗卫星。第 2 章 AR
32、M体系结构 2)飞腾处理器 飞腾是国家自主研发的处理器，由中国电子旗下天津飞腾信息技术有限公司设计生 产，目前的 FT 1500A 系列包括 4 核和 16 核两款产品(64 位通用 CPU，兼容 ARM8 指令 集)，基于 28 nm工艺制程，具有高性能、低功耗等特点，主要是用来替代 Intel中高端“至 强”服务器芯片的，可广泛应用于政府办公和金融、税务等各行业信息化系统之中。如图 2-8 所示，天河 2 号超级计算机将飞腾 FT 1500 处理器作为控制运算中心。第 2 章 ARM体系结构图 2-8 天河 2 号超级计算上使用国产的飞腾-1500 处理器第 2 章 ARM体系结构 3)智
33、桥处理器 智桥是国家自主研发的第四代交换芯片，由盛科网络(苏州)有限公司设计生产，目标 是快速响应云计算、大数据、网络功能虚拟化的市场趋势，芯片具有性能优、功能强、功耗 低和高可靠性、高性价比等特点。“智桥”SDN 智能高密度万兆交换芯片 CTC8096 便是非常 具有代表性的新产品。该芯片由 9.4 亿只晶体管构成，具有 1.2 的交换容量；配备了 96 个 10G 端口、24 个 40G 端口、4 个 100G 端口，支持 L2/L3/MPLS/OpenFlow和数据中心功能 等特性集合。第 2 章 ARM体系结构 4)华为海思麒麟芯片 2014 年 6 月 6 日，华为在北京发布全球首颗
34、八核 LTE Cat6 手机芯片海思麒麟 920。海 思(成立于 2004 年 10 月，前身是创建于 1991 年的华为集成电路设计中心)K3V2 选用四核Cortex-A9 处理器，ARMv7A 架构。表 2-6 所示为到目前为止已有的几款华为海思麒麟芯片型号及性能参数。第 2 章 ARM体系结构第 2 章 ARM体系结构2.1.4 ARM9 典型内核典型内核 1.S3C2410 处理器处理器 Samsung 公司推出的 16/32 位 RISC 处理器 S3C2410A 采用了 ARM920T 内核，0.18 M 工艺的 CMOS标准宏单元和存储器单元，为手持设备和一般类型应用提供了低价
35、格、低功 耗、高性能小型微控制器的解决方案。如图 2-9 所示为 S3C2410 硬件逻辑结构图，图 2-10 所示为 S3C2410 最小系统电 路板。第 2 章 ARM体系结构图 2-9 3C2410 硬件逻辑结构图第 2 章 ARM体系结构图 2-10 3C2410 最小系统电路板第 2 章 ARM体系结构 1)功能单元 (1)内部 1.8 V，存储器 3.3 V，外部 T/O 3.3 V，16 KB 数据Cache，16 KB 指令 Cache，MMU。(2)内置外部存储器控制器(DRAM 控制和芯片选择逻辑)。(3)LCD 控制器，一个 LCD 专业 DMA。(4)4 个带外部请求线
36、的 DMA。第 2 章 ARM体系结构 (5)3 个通用异步串行端口，2 通道 SPI。(6)一个多主I2 C 总线，一个 I2 S 总线控制器。(7)SD 主接口版本 1.0 和多媒体卡协议版本 2.11 兼容。(8)两个 USB Host，一个 USB Device (9)4 个 PWM 定时器和一个内部定时器。(10)看门狗定时器。(11)117 个通用 I/O接口。第 2 章 ARM体系结构 (11)117 个通用 I/O接口。(12)56 个中断源。(13)24 个外部中断。(14)电源控制模式：标准、慢速、休眠、掉电。(15)8 通道 10 位 ADC 和触摸屏接口。(16)带日历
37、功能的实时时钟。(17)芯片内置 PLL。(18)设计用于手持设备和通用嵌入式系统。(19)16/32 位 RISC 体系结构，使用 ARM920T CPU核的强大指令集。第 2 章 ARM体系结构 (20)带 MMU 的先进的体系结构支持 Win CE、EPOC32、Linux。(21)指令缓存、数据缓存、写缓存和物理地址 TAG RAM，减小了对主存储器 带宽和性能的影响。(22)ARM920T CPU核支持 ARM调试的体系结构。(23)内部先进的位控制器总线(AMBA、AMBA2.0、AB/AB)。第 2 章 ARM体系结构 2)系统管理 (1)小端/大端支持。(2)地址空间：每个 B
38、ank 128 MB(总计 1 GB)。(3)每个 Bank 可编程为 8/16/32 位数据总线。(4)一共 8 个存储器 Bank。(5)Bank0 到 Bank6 为固定起始地址。(6)Bank7 为可编程 Bank 起始地址和大小。(7)前 6 个存储器 Bank 用于 ROM、SRAM 和其他用途。第 2 章 ARM体系结构 (8)后 2 个存储器 Bank 用于 ROM、SRAM 和 SDRAM(同步随机存储器)。(9)支持等待信号用以扩展总线周期。(10)支持 SDRAM 掉电模式下的自刷新。(11)支持不同类型的 ROM 用于启动。第 2 章 ARM体系结构 3)芯片封装 芯片
39、封装采用 272-FBGA 封装。4)型号 处理器的型号为 S3C2410A-20、S3C-410A-26。二者的区别是前者主频最高为 200 MHZ、后者主频最高为 266 MHz。第 2 章 ARM体系结构 2.S3C2440 处理器处理器 S3C2440A 基于 ARM920 核心，采用 0.13 M 的 CMOS 标准宏单元和存储器单元。低功耗、简单、精致且全静态设计、特别适合于对成本和功率敏感的应用。它采用了新的总线 架构如先进微控制总线架构(AMBA)。ARM920 实现了 MMU、AMBA 总线和哈佛结构高速 缓冲体系结构。这一结构具有独立的 16 KB 指令高速缓存和 16 K
40、B 数据高速缓存，每个都 是由具有 8 字长的行组成。通过提供一套完整的通用系统外设，S3C2440A 减少了整 体系统成本，无需配置额外的组件。第 2 章 ARM体系结构 1)S3C2440A 片上功能第 2 章 ARM体系结构 (13)8 通道 10 位 ADC 和触摸屏接口。(14)具有日历功能的 RTC。(15)摄像头接口(最大支持 40964096 像素输入；20482048 像素输入支持缩放)。(16)130 个通用 I/O口和 24 通道外部中断源。(17)具有普通、慢速、空闲和掉电模式。(18)具有 PLL 片上时钟发生器。第 2 章 ARM体系结构 2)体系结构 (1)手持设
41、备的完整系统和普通嵌入式应用。(2)16/32 位 RISC 体系架构和 ARM920T CPU核心的强大的指令集。(3)增强型 ARM架构 MMU 以支持Win CE，EPOC 32 和 Linux。(4)指令高速缓存，数据高速缓存，写缓冲和物理地址 TAG RAM 以减少执行主存储器 带宽和延迟性能的影响。(5)ARM920 CPU核支持 ARM调试架构。(6)内部先进微控制器总线架构(AMBA)(AMBA2.0，AB/AB)。第 2 章 ARM体系结构 3)存储器管理第 2 章 ARM体系结构第 2 章 ARM体系结构 4)时钟和电源管理第 2 章 ARM体系结构 5)中断控制器 (1)
42、60 个中断源(1 个看门狗定时器，5 个计数定时器，9 个 UART，24 个外部中断，4 个 DMA，2 个 RTC，2 个 ADC，1 个 I2C，2 个 SPI，1 个 SDI，2 个 USB，1 个 LCD，1 个电池 故障，1 个 NAND，2 个摄像头，1 个 AC97)。(2)外部中断源中采用电平或边沿触发模式。(3)可编程边沿和电平的极性。(4)支持快速中断请求(FIQ)给非常紧急的中断请求。第 2 章 ARM体系结构 6)脉宽调制(PWM)定时器 (1)4 通道 16 位具有 PWM 功能的定时器，1 通道 16 位基于 DMA 或基于中断运行的 内部定时器。(2)可编程的
43、占空比、频率和极性。(3)能产生死区。(4)支持外部时钟源。第 2 章 ARM体系结构2.1.5 ARM11 典型内核典型内核 S3C6410 是一个 16/32 位 RISC 微处理器，旨在提供一个具有成本效益、功耗低、性能 高的应用处理器解决方案，可应用于智能手机、电视机顶盒等产品中。它为 2.5 G 和 3 通 信服务提供优化的 H/性能，S3C6410 采用了 64/32 位内部总线架构。该 64/32 位内部总 线结构由 AXI、AHB 和 APB 总线组成。它还包括许多强大的硬件加速器，像视频处理、音 频处理、二维图形的显示操作和缩放及一个集成的多格式编解码器(MFC)以支持 MP
44、EG4/H.263/H.264 的编码、译码以及 VC1 的解码。这个 H/编码器/解码器支持实时视频会议 和NTSC、PAL 模式的 TV 输出。第 2 章 ARM体系结构 图 2-11 为 UT-3C6410 开发板。图2-11-3C6410 开发板第 2 章 ARM体系结构 S3C6410X RISC 微处理器主要特性如下。1)ARM Core 采用 ARM1176JZF-S 的内核，包含 16 KB 的指令数据 Cache和 16 KB 的指令数据 TCM，ARM Core 电压为 1.1 的时候，可以运行到 553 MHz，在 1.2 的情况下，可以运行 到 667 MHz。通过 A
45、XI，AB 和 AB 组成的 64/32 B 内部总线和外部模块相连。第 2 章 ARM体系结构 2)电源管理 目前支持 Normal、Idle、Stop和 SleEP模式。Normal 是正常模式，其他模式都处于不同 程度的低功耗模式下，简单来说就是还有哪些模块在工作，可以被哪些中断唤醒。SleEP模 式是最低功耗模式，可以被有限的中断唤醒。第 2 章 ARM体系结构 3)TFT 液晶显示控制器 显示控制器支持 TFT 24Bit LCD 屏，分辨率能支持到 10241024。显示输出接口支持RGB 接口，80 接口，BT.601 输出(YUV422 8Bit)和输出给 TV Encoder
46、 的接口。支持最多 5 个图形窗口并可进行叠加操作，从 Windows0 到 Windows4，分别支持不同的图像输入源和 不同的图像格式。实际上，显示控制器可以接收来自 Carema，Frame Buffer和其他模块的图 像数据，可以对这些不同的图像进行叠加，并输出到不同的接口，比如 LCD，TV 编码器。第 2 章 ARM体系结构 4)系统外设第 2 章 ARM体系结构 5)通信接口第 2 章 ARM体系结构 6)存储器子系统第 2 章 ARM体系结构 7)多媒体加速第 2 章 ARM体系结构第 2 章 ARM体系结构2.1.6Cortex-M 典型内核典型内核 Cortex-M 系列针
47、对对成本和功耗敏感的 MCU 和终端应用(如智能测量、人机接口设 备、汽车和工业控制系统、大型家用电器、消费性产品和医疗器械)的混合信号设备进行过 优化，在这些应用中，尤其是对于实时控制系统，低成本、低功耗、极速中断反应以及高处 理效率，都是至关重要的。Cortex-M 系列是必须考虑不同的成本、能耗和性能的各类可兼容、易于使用的嵌入式 设备(如微控制器 MCU)的理想解决方案。第 2 章 ARM体系结构 1.Cortex-M0 处理器处理器 Cortex-M0 处理器是市场上现有的最小、能耗最低、最节能的 ARM处理器。该处理器 能耗非常低、门数量少、代码占用空间小，使得 MCU 开发人员能
48、够以 8 位处理器的价位，获得 32 位处理器的性能。超低门数还使其能够用于模拟信号设备和混合信号设备及 MCU应用中，可明显节约系统成本。第 2 章 ARM体系结构 2.Cortex-M3 ARMCortex-M3 系列则是为那些对开发费用非常敏感同时对性能要求不断增加的嵌入 式应用(如微控制器、汽车车身控制系统和各种大型家电)所设计的，主要面向单片机领 域，可以说是 51 单片机的完美替代品。基于Cortex-M3 内核的 STM32 微处理器类型如图 2-12 所示。第 2 章 ARM体系结构图 2-12 基于Cortex-M3内核的 STM32 微处理器类型第 2 章 ARM体系结构
49、3.Cortex-M4 ARMCortexTM-M4 处理器是由 ARM专门开发的最新嵌入式处理器，在 M3 的基础上强 化了运算能力，新加了浮点(FPU)、DSP、并行计算等，用以满足需要有效且易于使用的控 制和信号处理功能混合的数字信号控制市场。其高效的信号处理功能与Cortex-M 处理器 系列的低功耗、低成本和易于使用的优点的组合，旨在满足专门面向电动机控制、汽车、电 源管理、嵌入式音频和工业自动化市场的新兴类别的灵活解决方案。如图 2-13 所示为Cortex-M4 系统框图。第 2 章 ARM体系结构图 2-13CortexM4 系统框图第 2 章 ARM体系结构4.Cortex-
50、M72014 年，ARM正式发布了新一代处理器“Cortex-M7”，或者更确切地说是新一代微型控制器，面向高端嵌入式市场。ARM官方表示，Cortex-M7的计算性能和DSP处理能力是现有产品的两倍，可让厂商以低成本满足高性能嵌入式应用需求，包括马达控制、工业自动化、高级音频、图像处理、联网车载应用、物联网和穿戴式设备。第 2 章 ARM体系结构Cortex-M7的内核仍然支持 C 语言编程，完全兼容现有产品，生态系统和软件可以无缝过渡。如图 2-14 所示，Cortex-M7架构上采用了六级流水线、超标量加分支预测设计，32 位指令集，40 nM LP工艺下可在400MHz频率上提供 20
