补充-ARM历史及处理器概述.ppt
第1章补充,教学目的和要求：ARM的历史ARM处理器应用领域和特点主流的ARM处理器介绍Cortex-A处理器简介,一、ARM公司的历史,ARM公司远离硅谷、位于剑桥大学的英国公司，最初没有受到太多的关注。但居然能将芯片巨人Intel拉下马。,一、ARM公司的历史,1978年12月5日，物理学家赫尔曼豪泽（Hermann Hauser）和工程师Chris Curry，在英国剑桥创办了CPU公司（Cambridge Processing Unit），主要业务是为当地市场供应电子设备。1979年，CPU公司改名为Acorn计算机公司。起初，Acorn公司打算使用摩托罗拉公司的16位芯片，但是发现这种芯片太慢也太贵。一台售价500英镑的机器，不可能使用价格100英镑的CPU！他们转而向Intel公司索要80286芯片的设计资料，但是遭到拒绝，于是被迫自行研发。,一、ARM公司的历史,1985年，Roger Wilson和Steve Furber设计了他们自己的第一代32位、6M Hz的处理器，用它做出了一台RISC指令集的计算机，简称ARM（Acorn RISC Machine）。这就是ARM这个名字的由来。RISC的全称是精简指令集计算机（reduced instruction set computer），它支持的指令比较简单，所以功耗小、价格便宜，特别合适移动设备。早期使用ARM芯片的典型设备，就是苹果公司的牛顿PDA。,一、ARM公司的历史,1990年11月27日，Acorn公司正式改组为ARM计算机公司。苹果公司出资150万英镑，芯片厂商VLSI出资25万英镑，Acorn本身则以150万英镑的知识产权和12名工程师入股。公司的办公地点非常简陋，就是一个谷仓。公司成立后，业务一度很不景气，工程师们人心惶惶，担心将要失业。由于缺乏资金，ARM做出了一个意义深远的决定：自己不制造芯片，只将芯片的设计方案授权（licensing）给其他公司，由它们来生产。正是这个模式，最终使得ARM芯片遍地开花，将封闭设计的Intel公司置于人民战争的汪洋大海。,一、ARM公司的历史,20世纪90年代，ARM公司的业绩平平，处理器的出货量徘徊不前。但是进入21世纪之后，由于手机的快速发展，出货量呈现爆炸式增长，ARM处理器占领了全球手机市场。2006年，全球ARM芯片出货量为20亿片，2010年预计将达到45亿片。2007年底，ARM的雇员总数为1728人，持有专利700项（另有900项正在申请批准中），全球分支机构31家，合作伙伴200家，年收入2.6亿英镑。展望未来，即使Intel成功地实施了Atom战略，将x86芯片的功耗和价格大大降低，它与ARM竞争也将非常吃力。因为ARM的商业模式是开放的，任何厂商都可以购买授权，所以未来并不是Intel vs.ARM，而是Intel vs.世界上所有其他半导体公司。,什么是ARM处理器ARM处理器的应用领域和特点主流的ARM处理器介绍,二、ARM处理器概述,ARM(AdvancedRISCMachines)处理器是一种低功耗高性能的32位RISC（精简指令集）处理器，ARM也是一个公司的名字。ARM处理器就是由ARM公司设计。ARM处理器目前，采用ARM技术知识产权（IP）核的微处理器，即我们通常所说的ARM微处理器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于ARM技术的微处理器应用约占据了32位RISC微处理器75以上的市场份额，ARM技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。,什么是ARM处理器,应用领域在信息化程度很高的今天，ARM微处理器及其技术的应用已经深入到了各个领域，不断的发展和革新，为人们的生活带来了极大的方便，在我们生活和工作中随处可见。主要应用领域包括：嵌入式领域 企业领域 家庭领域 移动领域,ARM处理器的应用领域和特点,应用领域,ARM处理器的应用领域和特点,嵌入式领域,企业领域,家庭领域,移动领域,ARM处理器的特点ARM处理器的三大特点是：耗电少功能强、16位/32位双指令集和合作伙伴众多。具体来说，有以下六个主要特点：体积小、低功耗、低成本、高性能；支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好的兼容8位/16位器件；大量使用寄存器，指令执行速度更快；大多数数据操作都在寄存器中完成；寻址方式灵活简单，执行效率高；指令长度固定。,ARM处理器的应用领域和特点,ARM与业界最广泛的体系相结合，已推出的一系列20多种处理器可以解决几乎每个应用难题，是真正意义上的The Architecture for the Digital World（数字世界的体系结构）。目前，ARM微处理器宏伟而丰富的体系主要包括以下四个部分：ARM Cortex应用程序处理器；ARM Cortex嵌入式处理器；经典ARM处理器；ARM专家处理器。,主流的ARM处理器介绍,ARM不同系列处理器在性能、功能和兼容性之间的关系,主流的ARM处理器介绍,功能,性能,ARM体系结构的命名规则,主流的ARM处理器介绍,ARM Cortex应用程序处理器作为目前ARM处理器中最高端的系列，Cortex应用程序处理器在高级工艺节点中已经可实现高达2GHz+标准频率的卓越性能。主要包括Cortex-A系列：Cortex-A5、Cortex-A8、Cortx-A9、Cortex-A15。卓越性能表现在：移动Internet的理想选择高性能多核技术高级扩展,主流的ARM处理器介绍,Cortex-A处理器的应用场合,主流的ARM处理器介绍,ARM Cortex嵌入式处理器 区别于Cortex应用程序处理器对操作系统和移动Internet的支持偏向，Cortex嵌入式处理器旨在为各种不同的市场提供服务。包括Cortex-M系列和Cortex-R系列。Cortex-M系列面向具有确定性的微控制器应用的成本敏感型解决方案；Cortex-R系列面向实时应用的卓越性能。,主流的ARM处理器介绍,Cortex-M系列基本特征：成本低能耗低可兼容性好易于使用,主流的ARM处理器介绍,ARM Cortex嵌入式处理器应用领域Cortex-R系列基本特征快速确定性安全成本效益,Cortex-M系列应用领域,Cortex-R系列应用领域,主流的ARM处理器介绍,经典ARM处理器ARM经典处理器适用于那些希望在新应用中使用经过市场验证的技术的组织。这些处理器提供了许多的特性、卓越的功效和范围广泛的操作能力，适用于成本敏感型解决方案。经典ARM处理器包括我们耳熟能详的ARM7、ARM9、ARM11三个系列：ARM7系列面向普通应用的经典处理器；ARM9系列基于ARMv5体系结构的常用处理器；ARM11系列基于ARMv6体系结构的高性能处理器。,主流的ARM处理器介绍,ARM9处理器的特点1、流水线 对嵌入式系统设计者来说，硬件通常是第一考虑的因素。每一级流水都对应CPU的一个时钟周期，如果一级流水中的逻辑过于复杂，使得执行时间居高不下，必然导致所需的时钟周期变长，造成CPU的主频不能提升。所以流水线的拉长，有利于CPU主频的提高。ARM7使用三级流水线、ARM9使用五级流水线。,主流的ARM处理器介绍,主流的ARM处理器介绍,5级流水线的具体内容如下：取址：从存储器中取出指令并将其放入指令流水线。译码：对取出的指令进行译码。执行：把一个操作数移位，产生ALU的结果。,执行：把一个操作数移位，产生ALU的结果。缓冲：如果需要则访问数据存储器，否则ALU的结果只是简单地缓冲一个时钟周期，以便所有的指令具有相同的流水线流程。回写：将指令产生的结果回写到寄存器堆，包括从存储器取出的数据。2、哈佛结构 根据计算机的存储器结构及其总线连接形式，计算机系统可以分为冯诺依曼结构和哈佛结构。ARM9采用的就是哈佛结构，而ARM7采用的则是冯诺依曼结构。,主流的ARM处理器介绍,冯诺依曼结构,哈佛结构,在RISC架构的处理器中大约有30%的指令是Load-Store指令，而采用哈佛结构将大大提升这两个指令的执行速度，提高系统效率。,主流的ARM处理器介绍,3、引入高速缓存和写缓存 一般来说处理器的处理速度远远高于存储器的访问速度，而当存储器访问成为系统性高速缓存（Cache）和写缓存（Write Buffer）可以很好地解决这个问题，它们存储了最近常用的代码和数据，以供CPU快速存储。出现瓶颈时，处理器再快也无法发挥作用。,主流的ARM处理器介绍,4、支持MMU MMU是存储器管理单元的缩写，是用来管理虚拟内存系统的器件。MMU通常是CPU的一部分，本身有少量存储空间存放从虚拟地址到物理地址的匹配表。MMU的主要功能如下：将虚地址转换成物理地址。控制存储器存取允许，MMU关掉时，虚地址直接输出到物理地址总线。,主流的ARM处理器介绍,ARM专家处理器ARM专家处理器旨在满足特定市场的苛刻需求。其主要分为SecurCore和FPGA内核两个系列：SecurCore面向高安全性应用的处理器；FPGA内核面向FPGA的处理器。（1）SecurCore系列处理器SecurCore系列微处理器专为安全需求而设计，提供了完善的32位RISC技术的安全解决方案，除了具有ARM体系结构的低功耗、高性能的特点外，还提供了安全解决方案的支持。,主流的ARM处理器介绍,在系统安全方面具有如下特点：带有灵活的保护单元，以确保操作系统和应用数据的安全；采用软内核技术，防止外部对其进行扫描探测；可集成用户自己的安全特性和其他协处理器。SecurCore系列微处理器主要应用于一些安全产品及应用系统，包括电子商务、电子银行业务、网络、移动媒体和认证系统等。,主流的ARM处理器介绍,易于将Cortex-M1处理器设计迁移到更新和最有效的 FPGA；受可提供不同性能点解决方案的强大ARM处理器路线图的支持；ARM体系结构已在数十亿ARM Powered设备中经过验证。ARM Cortex-M1处理器主要应用在通信、广播、汽车、消费品、军事/航天和工业等领域。,主流的ARM处理器介绍,（2）FPGAARM Cortex-M1处理器满足FPGA应用的高质量、标准处理器体系结构的需要，支持范围广泛的FPGA设备，包括那些来自Actel、Altera和Xilinx的设备。在FPGA中使用ARM Cortex-M1有如下优点：全部使用标准处理器体系结构；供应商独立性Cortex-M1处理器支持所有主要FPGA供应商；软件和工具可以在FPGA和ASIC/ASSP之间重用；从FPGA到ASIC的简单迁移路径；受最大的体系ARM Connected Community的支持；,主流的ARM处理器介绍,其他ARM处理器除了ARM公司提供的四种类别的ARM处理器以外，常用的还有Intel公司开发的Xscale系列和StrongARM系列。（1）Xscale系列 Xscale是基于ARMv5TE体系结构的一种内核，相比于ARM处理器功耗更低，系统伸缩性更好，核心频率也得到提高。目前已使用在数字移动到电话、个人数字助理和网络产品等场合。,主流的ARM处理器介绍,（2）StrongARM系列 StrongARM系列采用ARM公司推出的一款旨在支持WinCE3.0-PocketPC系统的RISC（精简指令集）处理器作为内核。优点：StrongARM处理器的性能不错，甚至表现不比新款产品差。兼容性好。缺点：功耗过大一直是困扰高频率处理器首要问题，是的频率不能得到大的提升。,主流的ARM处理器介绍,
