ARM基礎知識教程（一）：ARM簡介

　　ARM將其技術授權給世界上許多著名的半導體、軟件和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。利用這種合伙關系，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簽訂了硬件技術使用許可協議，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。至于軟件系統的合伙人，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。

　　2.產品介紹
　　ARM提供一系列內核、體系擴展、微處理器和系統芯片方案。
由于所有產品均采用一個通用的軟件體系，所以相同的軟件可在所有產品中運行（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，用于移動通信。
　　-- 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，并用一個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盤驅動器。
　　--ARM9TDMI:采用5階段管道化ARM9內核，同時配備Thumb擴展、調試和Harvard總線。在生產工藝相同的情況下，性能可達ARM7TDMI的兩倍之多。常用于連網和頂置盒。
　　(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
　　由于集成了類似于ICE的CPU內核調試技術，所以原型設計和系統芯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。廣泛應用于手持式計算、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。應用于高級引擎管理、保安系統、頂置盒、便攜計算機和高檔打印機。
　　--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聯合研制，后來授權給Intel。SA110處理器、SA1100 PDA系統芯片和SA1500多媒體處理器芯片均采用了這一技術。
　　--ARM7500和ARM7500FE:高度集成的單芯片RISC計算機，基于一個緩存式ARM7 32位內核，擁有內存和I/O控制器、3個DMA通道、片上視頻控制器和調色板以及立體聲端口;ARM7500FE則增加了一個浮點運算單元以及對EDO DRAM的支持。特別適合電視頂置盒和網絡計算機（NC）。
Windows CE的Pocket PC只支持ARMWindows CE可支持多種嵌入式處理器，但基于Windows CE的Pocket PC則只支持ARM一種。微軟在對SH3、MIPS、ARM等嵌入式處理器做了評估后認為，ARM是一種性價比較好的選擇。由于目前ARM在手持設備市場占有90%以上的份額，只支持ARM，可以有效地縮短應用程序開發與測試的時間，也降低了研發費用。由于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結構簡介
ARM系列是英國先進RISC機器公司（Advanced RISC Machines，ARM）公司的產品[1]。第一個基于RISC指令集的ARM芯片是在1985年開始設計的，采用的是典型的32位RISC體系結構，其指令擁有4位的寄存器地址域，可以訪問R0-R15這16個寄存器。而其他的寄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，這種方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.

由于體系結構設計以及器件技術上的特點，使得ARM處理器可以與一些復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體系結構完全擴展到32位（原來的ARM處理器只有26位的地址空間），并將主頻提升到40MHz，另外還集成了一個8KB的Cache。比較有趣的是，ARM7可以支持一種稱為"Thumb"的模式，可以運行新的16位指令。這主要是通過在ARM7芯片的指令預取階段增加一個硬件，完成Thumb指令到正常的32位RISC指令的轉換來達到目的的。通過引入Thumb模式，只需要付出很少的硬件代價，就可以將代碼的密度提升大約25%-35%，并使得應用的運行更為迅速。
1995年，ARM、Apple、DEC公司聯合聲明將開發一種用于PDA的高性能、低功耗的微處理器，主要是基于ARM體系結構的。DEC將自己在MPU設計上的優勢帶入ARM芯片設計中。一年后，StrongARM SA-110問世了，并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。在體系結構上，
StrongARM將原來ARM中的三級流水線擴展到五級，在器件工藝上，大量采用了最新的體系結構和器件技術，大大降低了芯片工作時的能耗。

StrongARM的出現并不是ARM發展歷程上的唯一分支。1996年，ARM8發布了，采用同樣的五級流水線，并在72MHz條件下，達到了84MIPS的指標。而在1997年，ARM9內核采用了與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，并開發了幾個后續產品。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宣布將在其第二代StrongARM中采用7級流水線，并在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支持上的增強版本。它采用了類似Thumb的機制，通過很少的硬件代價，使大多數Java虛擬機字節碼可以加速執行，更為復雜的Java虛擬機字節碼可以通過軟件的方式執行。這樣，使得Java虛擬機字節碼的執行速度提升了大約8倍左右。這對于嵌入式場合的Java應用無疑是極其有效的。

ARM的成功在于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因素。隨著更多廠商的支持和加入，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系列芯片已經被廣泛的應用于移動電話、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。

最新的市場調查表明，ARM占據了整個32位嵌入式微處理器市場的90%。

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、相關技術及軟件。技術具有性能高、成本低和能耗省的特點。適用于多種領域，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、軟件和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。利用這種合伙關系，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簽訂了硬件技術使用許可協議，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。至于軟件系統的合伙人，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。

　　2.產品介紹
　　ARM提供一系列內核、體系擴展、微處理器和系統芯片方案。
由于所有產品均采用一個通用的軟件體系，所以相同的軟件可在所有產品中運行（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，用于移動通信。
　　-- 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，并用一個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盤驅動器。
　　--ARM9TDMI:采用5階段管道化ARM9內核，同時配備Thumb擴展、調試和Harvard總線。在生產工藝相同的情況下，性能可達ARM7TDMI的兩倍之多。常用于連網和頂置盒。
　　(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
　　由于集成了類似于ICE的CPU內核調試技術，所以原型設計和系統芯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。廣泛應用于手持式計算、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。應用于高級引擎管理、保安系統、頂置盒、便攜計算機和高檔打印機。
　　--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聯合研制，后來授權給Intel。SA110處理器、SA1100 PDA系統芯片和SA1500多媒體處理器芯片均采用了這一技術。
　　--ARM7500和ARM7500FE:高度集成的單芯片RISC計算機，基于一個緩存式ARM7 32位內核，擁有內存和I/O控制器、3個DMA通道、片上視頻控制器和調色板以及立體聲端口;ARM7500FE則增加了一個浮點運算單元以及對EDO DRAM的支持。特別適合電視頂置盒和網絡計算機（NC）。
Windows CE的Pocket PC只支持ARMWindows CE可支持多種嵌入式處理器，但基于Windows CE的Pocket PC則只支持ARM一種。微軟在對SH3、MIPS、ARM等嵌入式處理器做了評估后認為，ARM是一種性價比較好的選擇。由于目前ARM在手持設備市場占有90%以上的份額，只支持ARM，可以有效地縮短應用程序開發與測試的時間，也降低了研發費用。由于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結構簡介
ARM系列是英國先進RISC機器公司（Advanced RISC Machines，ARM）公司的產品[1]。第一個基于RISC指令集的ARM芯片是在1985年開始設計的，采用的是典型的32位RISC體系結構，其指令擁有4位的寄存器地址域，可以訪問R0-R15這16個寄存器。而其他的寄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，這種方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.

由于體系結構設計以及器件技術上的特點，使得ARM處理器可以與一些復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體系結構完全擴展到32位（原來的ARM處理器只有26位的地址空間），并將主頻提升到40MHz，另外還集成了一個8KB的Cache。比較有趣的是，ARM7可以支持一種稱為"Thumb"的模式，可以運行新的16位指令。這主要是通過在ARM7芯片的指令預取階段增加一個硬件，完成Thumb指令到正常的32位RISC指令的轉換來達到目的的。通過引入Thumb模式，只需要付出很少的硬件代價，就可以將代碼的密度提升大約25%-35%，并使得應用的運行更為迅速。
1995年，ARM、Apple、DEC公司聯合聲明將開發一種用于PDA的高性能、低功耗的微處理器，主要是基于ARM體系結構的。DEC將自己在MPU設計上的優勢帶入ARM芯片設計中。一年后，StrongARM SA-110問世了，并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。在體系結構上，
StrongARM將原來ARM中的三級流水線擴展到五級，在器件工藝上，大量采用了最新的體系結構和器件技術，大大降低了芯片工作時的能耗。

StrongARM的出現并不是ARM發展歷程上的唯一分支。1996年，ARM8發布了，采用同樣的五級流水線，并在72MHz條件下，達到了84MIPS的指標。而在1997年，ARM9內核采用了與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，并開發了幾個后續產品。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宣布將在其第二代StrongARM中采用7級流水線，并在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支持上的增強版本。它采用了類似Thumb的機制，通過很少的硬件代價，使大多數Java虛擬機字節碼可以加速執行，更為復雜的Java虛擬機字節碼可以通過軟件的方式執行。這樣，使得Java虛擬機字節碼的執行速度提升了大約8倍左右。這對于嵌入式場合的Java應用無疑是極其有效的。

ARM的成功在于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因素。隨著更多廠商的支持和加入，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系列芯片已經被廣泛的應用于移動電話、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。