嵌入式處理器ARM(Advanced RISC Machines)技術(shù)及芯片

ARM (Advanced RISC Machines)公司從1991年推出第一種嵌入式RISC內核ARM6開(kāi)始至今，經(jīng)過(guò)十年多堅持不懈的打造，ARM已成為世界領(lǐng)先的嵌入式RISC處理器知識產(chǎn)權（IP）提供商。ARM公司是一個(gè)概念創(chuàng )新的公司，它首先提出知識產(chǎn)權公開(kāi)出售授權的概念，它既不生產(chǎn)芯片，也不銷(xiāo)售芯片，它的商業(yè)模式是搞設計和賣(mài)方案，它通過(guò)對數字電子公司在廣泛的應用中使用高性能、低價(jià)格、低功耗的微處理器和系統芯片進(jìn)行授權而獲利。ARM公司也出售軟件和開(kāi)發(fā)系統，還提供咨詢(xún)、技術(shù)支持、維護和培訓服務(wù)，以加快大家對ARM體系結構和產(chǎn)品的認知和接受，從而改變了世界半導體行業(yè)的格局。它借助于擁有的強大技術(shù)優(yōu)勢，在世界范圍內與許多業(yè)界領(lǐng)先的半導體廠(chǎng)商和芯片設計中心、實(shí)時(shí)操作系統軟件開(kāi)發(fā)商、應用軟件公司、電子設計自動(dòng)化（EDA）工具供應商和系統公司建立合作關(guān)系，其中包括世界頂級的廠(chǎng)商Intel、NS、TI、Apple、Motorola、Mitsubishi、SUN、Lucent、Sanyo、 Altera、Triscend、Agilent、Toshiba、Fujitsu、Sharp、ST、3COM、OKI、YAMAHA、Atmel、 Rohm、Rockwell、Philips、Lucent、Samsung、Hyundai、Sony和Alcatel等56家公司。由此可見(jiàn)ARM技術(shù)具有不可抗拒的魅力，1999年采用ARM IP核的芯片出貨量就達1.8億片，占RISC市場(chǎng)份額57.8%；2000年采用ARM IP核的芯片出貨量更是增長(cháng)到4億片，RISC市場(chǎng)份額上升到74.3%，同期MIPS芯片占11.3%，Power PC芯片占3.4%。

特點(diǎn)和優(yōu)勢

ARM技術(shù)與其他公司設計的處理器相比究竟有什么樣的優(yōu)勢呢?

　　ARM結構的關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)是能兼顧到高性能、低功耗、低價(jià)格幾個(gè)方面而做得都比較好。首先在低功耗（MIPS/W－百萬(wàn)條指令每秒/瓦）方面具有業(yè)界領(lǐng)先的性能，例如ARM7TDMI內核提供高達4000 MIPS/W的低功耗特性。在數據處理能力的每MIPS的低價(jià)格方面，ARM向合作伙伴提供某些最具有競爭力價(jià)格的解決方案，可以使得新的消費電子產(chǎn)品由此能快速增長(cháng)。加上具有最廣泛的第三方合作伙伴支持：有50家以上的RTOS軟件廠(chǎng)商和30家以上的EDA工具制造商，有很多高效率的實(shí)時(shí)跟蹤調試工具，采用AMBA片上總線(xiàn)，可以使設計時(shí)間更短，加快了產(chǎn)品上市時(shí)間。

　　ARM的高性能表現為其體系結構是基于RISC流水線(xiàn)架構，它的指令系統和相關(guān)譯碼機制比那些采用微程序的復雜指令系統的計算機（CISC）簡(jiǎn)單得多。這個(gè)簡(jiǎn)化帶來(lái)三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

①指令的高吞吐率
②極其有效的實(shí)時(shí)中斷響應
③小的高性?xún)r(jià)比的處理器宏單元
流水線(xiàn)結構可以使所有的處理部件和存儲器系統連續操作，典型情況是當一條指令正在被執行時(shí)，后一條指令正在被譯碼，第三條指令同時(shí)被從存儲器中取指。

應用領(lǐng)域

　　ARM的半導體合作伙伴都是基于A(yíng)RM架構來(lái)設計、制造、打市場(chǎng)和銷(xiāo)售微處理器、專(zhuān)用集成電路（ASIC）和專(zhuān)用標準產(chǎn)品（ASSP）。各個(gè)不同廠(chǎng)商在 ARM技術(shù)的基礎上加上它們自己的技術(shù)和能力，利用ARM廣泛支持的架構生產(chǎn)出各種不同的產(chǎn)品。這些基于A(yíng)RM技術(shù)的微處理器已經(jīng)被廣泛應用于各種電子產(chǎn)品，特別是一些高端嵌入式控制應用，例如汽車(chē)電子設備、移動(dòng)電話(huà)、硬盤(pán)驅動(dòng)器、調制解調器、工業(yè)控制、海量存儲、網(wǎng)絡(luò )通信、無(wú)線(xiàn)通信和各種消費娛樂(lè )電子產(chǎn)品。

解決方案

　　ARM可以提供一組基本內核、體系結構擴展、微處理器和片上系統（SOC）等解決方案，而它們都使用一個(gè)公共的軟件結構，即在整個(gè)產(chǎn)品的范圍內都允許相同的軟件。

一組基本內核

①ARM7是一種小型的高性能低功耗可集成32位RISC處理器內核，這最初是為便攜式通信設備而開(kāi)發(fā)的。

②A(yíng)RM7TDMI是一種授權最廣泛的產(chǎn)品，它把ARM7的指令系統與Thumb相結合，減少了存儲器的容量，降低了系統成本。

　　EmbeddedICE調試器使系統設計更容易，DSP加強了乘法擴展功能，提升了性能，典型應用是數字移動(dòng)電話(huà)和硬盤(pán)驅動(dòng)器。

③ARM9TDMI是一種有5級流水線(xiàn)，集成有Thumb擴展功能、調試功能和哈佛總線(xiàn)的內核。在同樣工藝下，它是ARM7TDMI性能的兩倍以上。典型應用為網(wǎng)絡(luò )和機頂盒。

④ARM9E-S是基于A(yíng)RM9TDMI的內核，在原指令系統上擴展了高級信號處理功能的指令。它可用于需要控制和DSP的應用，包括硬盤(pán)驅動(dòng)（HDD）、數字視頻盤(pán)DVD、移動(dòng)電話(huà)、自動(dòng)和工業(yè)控制領(lǐng)域。

⑤ARM10TDMI是一種比ARM9TDMI有更高性能的內核，其性能幾乎是ARM9TDMI的兩倍，有6級流水線(xiàn)、哈佛總線(xiàn)、Thumb擴展功能和對所有編程模型狀態(tài)的全調試訪(fǎng)問(wèn)。主要應用于下一代手持通信產(chǎn)品和數碼電子消費產(chǎn)品以及多媒體應用。

⑥可組合內核：ARM已經(jīng)開(kāi)發(fā)出最流行的可組合內核，包括ARM7TDMI-S、ARM9TDMI-S、ARM946E-S和ARM966E-S解決方案。這些軟內核在功能上等效于已存在的硬內核，但是這會(huì )給特定的用戶(hù)帶來(lái)更多的靈活性。

完整的微處理器內核

①ARM720T、ARM920T和ARM1020T是低價(jià)格、低功耗的通用系統封裝的微處理器，它們帶有高速緩沖存儲器（Cache）、存儲器管理、寫(xiě)入緩沖器和JTAG接口，并為高級OS平臺作了優(yōu)化，可應用于手持計算裝置、數據通信和消費電子多媒體產(chǎn)品。

②A(yíng)RM740T、ARM940T、ARM946E-S和ARM966E-S是低價(jià)格低功耗高性能的通用微處理器，為嵌入式控制作了優(yōu)化，目標應用包括高級引擎管理、儀器、安全系統和高端打印機。

提供的硅技術(shù)

①ARM10系列：300MHz ARM10處理器系列是有矢量浮點(diǎn)（VFP）大容量片上指令Cache和數據Cache、帶有支持虛擬存儲頁(yè)操作命令的MMU、寫(xiě)入緩沖器和新型高帶寬先進(jìn)的微控制器總線(xiàn)結構（AMBA）SOC總線(xiàn)接口。
ARM10解決方案可以支持Win CE和EPOC32，并將提供低系統價(jià)格、低功耗和容易集成到較大SOC設計的支持。

②StrongARM 是一種具有非常高性能的通用微處理器，這是與DEC公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)、并授權Intel公司制造生產(chǎn)，Intel公司用SA110命名該通用嵌入式標準處理器。SA1110用于Palm設備，SA1111作為配套芯片。Intel宣布下一代StrongARM將把性能提高2倍到3倍，而保持其功耗為0.5W 以下。

獲得高性能處理器設計技術(shù)的機會(huì )

　　由于投資和風(fēng)險巨大、缺少自主的核心技術(shù)，雖然在中低端微處理器方面有了一定進(jìn)展，但在設計和制造高性能處理器芯片方面一直是我國TI業(yè)的“芯病”痛，要達到當代處理器的國際先進(jìn)水平，還難以在短期內有大的突破。即使已經(jīng)具有設計和制造先進(jìn)微處理器的能力，還一時(shí)無(wú)法成為市場(chǎng)的主流產(chǎn)品，不會(huì )改變世界計算機市場(chǎng)的格局。而ARM體系結構的產(chǎn)品，已經(jīng)幾乎成為嵌入式RISC芯片的壟斷機種，通過(guò)購買(mǎi)合法授權就可以得到相關(guān)的設計和制造技術(shù)，在主流芯片的設計和制造中占有一席之地，相對風(fēng)險要小得多。ARM公司也非?？春弥袊氖袌?chǎng)，已開(kāi)始與中興公司合作，并十分希望與國內更多的企業(yè)合作，應該說(shuō)雙方只要抓住機會(huì )就很可能實(shí)現雙贏(yíng)。