【文章內(nèi)容簡介】 mb 指令集，使得編譯器能產(chǎn)生緊湊代碼（內(nèi)存能節(jié)省到 35%以上 ) ? Thumb在處理器中仍然要擴展為標(biāo)準(zhǔn)的32位 ARM指令來運行。 ?采用 16位 Thumb指令集最大的好處就是可以獲得 更高的代碼密度和降低功耗 。 1999年推出 增強了 Thumb體系 :以更好地平衡代碼空間和性能 ? 并在 ARM ISA上擴展了 增強的 DSP 指令集 : ?E‘?dāng)U展表示在通用的 CPU上提供 DSP能力。 ? 2022年推出 , 增加了 Jazelle擴展以支持Java加速技術(shù)。 ?Jazelle技術(shù)比僅僅基于軟件的 JVM性能提高近 8倍的性能減少了 80％的功耗。 ?2022年推出，它在許多方面做了改進如內(nèi)存系統(tǒng)、異常處理和較好地支持多處理器。 ?SIMD擴展使得廣大的軟件應(yīng)用如 Video和 Audio codec的性能提高了 4倍。 ?Thumb2和 TrustZone 技術(shù)也用于 ARMv6中。 電子科技大學(xué)嵌入式軟件工程中心 ARMv7(Cortex) ? ARMv7定義了 3種不同的處理器配置（ processor profiles） : – Profile A是面向復(fù)雜、基于虛擬內(nèi)存的 OS和應(yīng)用的 – Profile R是針對實時系統(tǒng)的 – Profile M是針對低成本應(yīng)用的優(yōu)化的微控制器的 。 ? 所有 ARMv7 profiles實現(xiàn) Thumb2技術(shù)，同時還包括了 NEON? 技術(shù)的擴展提高 DSP和多媒體處理吞吐量 400％ ，并提供 浮點支持 以滿足下一代3D圖形和游戲以及傳統(tǒng)嵌入式控制應(yīng)用的需要 。 電子科技大學(xué)嵌入式軟件工程中心 ARM Family ARM7? Family ARM9? Family ARM10? Family ARM11? Family 150DMIPS 300 DMIPS 500 DMIPS 1000 DMIPS ARM Cortex ? Family ARM720T ARM1136J ARM1176JZ ARM1026E ARM920T/ARM922T ARM926EJ Cortex A Application Processor ARM7TDMI ARM1156T2 ARM1026E ARM946E Cortex R Embedded RT Controller ARM7TDMI ARM966E ARM968E Cortex M Microcontroller ARM Architecture 電子科技大學(xué)嵌入式軟件工程中心 當(dāng)前的主流 ARM處理器 ? ARM7 – 世界上最為廣泛使用的 CPU 之一 – 100MHz ? ARM9 – 100300MHz ARM Powred shipment in year of 2022, 31% is ARM9 based. 電子科技大學(xué)嵌入式軟件工程中心 ARM11 芯片已經(jīng)面世 ? ARM11 – 300700+ MHz – SIMD 指令擴展支持更豐富的多媒體應(yīng)用 – 40家授權(quán)芯片公司，一些已開始量產(chǎn) FOMA N902i First ARM11 based phone OMAP2420 電子科技大學(xué)嵌入式軟件工程中心 目前最快的嵌入式處理器 ? 最快的處理器提供超過 2022 DMIPS 的性能 – 運行于 1GHz 頻率 (90nm or 65nm 制造工藝 ) ? 功耗小于 300mW ARM Cortex A8 Application Processor 電子科技大學(xué)嵌入式軟件工程中心 CortexM3 實現(xiàn) $1 ARM芯片 ? ARM Cortex Architecture ? Thumb2 ISA ? 3 Stage Pipeline ? DMIPS/MHz – 30% over ARM7TDMI ? 33K gates – 30% smaller than ARM7TDMI ? Luminary Micro的 Stellaris系列 MCU產(chǎn)品售價僅 1美元 ARM CortexM3 微控制器內(nèi)核，專門針對 MCU應(yīng)用領(lǐng)域而設(shè)計，突出低成本、低功耗和高效率。 電子科技大學(xué)嵌入式軟件工程中心 領(lǐng)先嵌入式處理器技術(shù)發(fā)展討論 ? 多處理器技術(shù) – 單處理器技術(shù)的性能提升終有一天會遭遇瓶頸 – 對嵌入式系統(tǒng)而言，尤其要考慮付出的代價 – 把任務(wù)進行并行分解是理想的選擇 – ARM MPcore可以集成 14個 ARM11處理器 – 關(guān)鍵是要提供給軟件開發(fā)者一個友好的編程界面 ? 64位處理器？ – 哪兒是系統(tǒng)性能瓶頸？ – 是需要 64位地址還是 64位數(shù)據(jù)？ – 嵌入式系統(tǒng)比 PC有更好的條件來解決系統(tǒng)性能和帶寬問題 ? PC系統(tǒng)在主板上，擴展系統(tǒng)帶寬需要擴大每個組件的接口帶寬 ? SoC只需擴展片內(nèi)總線，非常容易實現(xiàn) – AMBA支持 81024位總線寬度 ? 許多 SoC設(shè)計以及 ARM處理器內(nèi)部已經(jīng)使用 64位數(shù)據(jù)總線 電子科技大學(xué)嵌入式軟件工程中心 系列 相應(yīng)產(chǎn)品 性能特點 ARM7 系列 ARM7TDMI ， ARM7TDMIS ，ARM720T， ARM7EJ 三級流水 性能： , 可達到 130MIPs () ARM9 系列 ARM920T， ARM922T 五級流水 ， 性能： ，可達 300 MIPS (Dhrystone )，單 32bit AMBA bus接口，支持 MMU ARM9E 系列 ARM926EJS, RM946ES, ARM966ES, ARM968ES, ARM996HS 五級流水 ，支持 DSP指令。 性 能： ，可達 300 MIPS (Dhrystone )，高性能 AHB, 軟核（ soft IP） ARM10 系列 ARM1020E, ARM1022E ARM1026EJS 六級流水 支持分支預(yù)測（ branch prediction），支持 DSP指令。 性能： MIPS/MHz，可達 430+ Dhrystone MIPS， 可選支持高性能浮點操作 ， 雙 64位總線接口 ，內(nèi)部 64位數(shù)據(jù)通路 Dhrystone 是一個綜合性的基準(zhǔn)測試程序，它是為了測試編譯器和CPU處理整數(shù)指令和控制功能的有效性，人為地選擇一些典型指令綜合起來形成的測試程序。 電子科技大學(xué)嵌入式軟件工程中心 系列 相應(yīng)產(chǎn)品 性能特點 ARM11 系列 ARM11MPCore, ARM1136J(F)S, ARM1156T2(F)S, ARM1176JZ(F)S 八級流水線 (九級 ARM1156T2(F)S)：獨立的loadstore和 arithmetic流水線，支持分支預(yù)測和返回棧（ Return Stack）。 強大的 ARMv6 指令集：支持 DSP,SIMD (Single Instruction Multiple Data) 擴展，支持 ARM TrustZone 、 Thumb2核心技術(shù)。 740 Dhrystone MIPS，低功耗 (, ) Cortex 系列 CortexA8, CortexM3, CortexR4 CortexA系列 : 面向用于復(fù)雜 OS和應(yīng)用的應(yīng)用處理器（ applications processors），支持 ARM, Thumb and Thumb2指令集。 CortexR系列 ：面向嵌入式實時領(lǐng)域的嵌入式處理器，支持 ARM, Thumb,和 Thumb2 指令集。 CortexM系列 ： 面向深嵌入式價格敏感的嵌入式處理器 ， 只支持 Thumb2指令集 SecurCore 系列 SecurCore SC100，SecurCore SC200 用于 Smart Card和 Secure IC的 32bit解決方案。支持 ARM和 Thumb 指令集，軟核。 具有安全特征和低成本安全存儲保護單元 電子科技大學(xué)嵌入式軟件工程中心 On chip RAM 基于 ARM的系統(tǒng)舉例 ARM Processor core AMBA AHB External Memory Interface APB Bridge AMBA APB Interrupt Controller ARM Primecell Peripherals GPIO DMA Port Clocks and Reset Controller ? ARM核深度嵌入于 SoC中 – 通過 JTAG口進行外部調(diào)試 ? 設(shè)計既有外部內(nèi)存又有內(nèi)部內(nèi)存 – 支持不同的內(nèi)存寬度、速度和大小 ? 包含一個中斷控制器 – 內(nèi)核只支持兩種中斷 ? 包含 Primecell外設(shè) – 需要從 ARM公司取得授權(quán) ? 用 AMBA相連的器件 (Advanced Microcontroller Bus Architecture) DEBUG nIRQ nFIQ FLASH SDRAM ARM based SoC 電子科技大學(xué)嵌入式軟件工程中心 高速緩存內(nèi)核術(shù)語 ? MPU – 內(nèi)存保護單元 – 控制內(nèi)存訪問權(quán)限 – 控制內(nèi)存區(qū)域的屬性（ cacheable, bufferable） ? MMU – 內(nèi)存管理單元 – 具有 MPU的所有特性 – 另外提供虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換 ? Cache（高速緩存） – 快速的本地內(nèi)存 – 存放最近被訪問過的內(nèi)存的副本 ? TCM – 緊耦合內(nèi)存 – 快速的本地內(nèi)存 – 特定的地址范圍 ? Write buffer（寫緩存區(qū)） – 減少了寫數(shù)據(jù)到外部內(nèi)存的次數(shù) ARM9E Integer Core Cache Memory System TCM Write buffer MMU or MPU BUS Interface Control Coprocessor ARM926EJS core Fast core clock domain System on Chip Slower bus clock domain 電子科技大學(xué)嵌入式軟件工程中心 ARM7TDMI Thumb 架構(gòu)擴展 , 提供兩個獨立的指令集： ?ARM 指令，均為 32位 ?Thumb指令，均為 16位 ?兩種運行狀態(tài)，用來選擇哪個指令集被執(zhí)行 內(nèi)核具有 Debug擴展結(jié)構(gòu) 增強乘法器 (32x8) 支持 64位結(jié)果 EmbeddedICE 邏輯 – 3 級流水線 – 馮 諾依曼架構(gòu) – CPI(Cycle Per Instruction) 約為 電子科技大學(xué)嵌入式軟件工程中心 ARM7TDMI ARM7TDMI 內(nèi)核 MCLK nIRQ nFIQ nRESET BUSEN BIGEND ISYNC nWAIT VDD VSS APE DBE 協(xié)處理器接口 存儲器管理 存儲器接口 ABORT nOPC CPB CPA nCPI nTRANS nM[4:0] MAS[1:0] nRW nMREQ LOCK SEQ nENOUT A[31:0] DOUT[31:0] DIN[31:0] D[31:0] 電源 總線控制 時鐘 配置 中斷 內(nèi)核信號 電子科技大學(xué)嵌入式軟件工程中心 ARM7TDMI ARM7TDMI 內(nèi)核 TAP 控制器 JTAG 接口 數(shù)據(jù)總線 控制信號 地址總線 BUS Splitter Embedded ICE 邏輯 方框圖 電子科技大學(xué)嵌入式軟件工程中心 乘法器 指令 解碼 地址 自增器 nRESET nMREQ SEQ ABORT nIRQ nFIQ nRW MAS[1:0] LOCK nCPI CPA CPB nWAIT MCLK nOPC BIGEND ISYNC nTRANS nM[4:0] D[31:0] 桶 移位器 32 位 ALU DBE 寫數(shù)據(jù) 寄存器 讀數(shù)據(jù) 寄存器 地址寄存器 寄存器 Bank A[31:0] ABE 及 控制 邏輯 PC Update 解碼站 指令 解壓縮 Incrementer P C A B u