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嵌入式处理器ARM技术及芯片
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Embedded Processor ARM Technology and Chips
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■扬州大学物理系 窦振中
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ARM技术方兴未艾
ARM(Advanced RISC Machines)公司从1991年推出第一种嵌入式RISC内核ARM6开始至今，经过十年多坚持不懈的打造，ARM已成为世界领先的嵌入式RISC处理器知识产权（IP）提供商。ARM公司是一个概念创新的公司，它首先提出知识产权公开出售授权的概念，它既不生产芯片，也不销售芯片，它的商业模式是搞设计和卖方案，它通过对数字电子公司在广泛的应用中使用高性能、低价格、低功耗的微处理器和系统芯片进行授权而获利。ARM公司也出售软件和开发系统，还提供咨询、技术支持、维护和培训服务，以加快大家对ARM体系结构和产品的认知和接受，从而改变了世界半导体行业的格局。它借助于拥有的强大技术优势，在世界范围内与许多业界领先的半导体厂商和芯片设计中心、实时操作系统软件开发商、应用软件公司、电子设计自动化（EDA）工具供应商和系统公司建立合作关系，其中包括世界顶级的厂商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。由此可见ARM技术具有不可抗拒的魅力，1999年采用ARM
IP核的芯片出货量就达1.8亿片，占RISC市场份额57.8%；2000年采用ARM IP核的芯片出货量更是增长到4亿片，RISC市场份额上升到74.3%，同期MIPS芯片占11.3%，Power
PC芯片占3.4%。
特点和优势
ARM技术与其他公司设计的处理器相比究竟有什么样的优势呢?
ARM结构的关键优点是能兼顾到高性能、低功耗、低价格几个方面而做得都比较好。首先在低功耗（MIPS/W－百万条指令每秒/瓦）方面具有业界领先的性能，例如ARM7TDMI内核提供高达4000
MIPS/W的低功耗特性。在数据处理能力的每MIPS的低价格方面，ARM向合作伙伴提供某些最具有竞争力价格的解决方案，可以使得新的消费电子产品由此能快速增长。加上具有最广泛的第三方合作伙伴支持：有50家以上的RTOS软件厂商和30家以上的EDA工具制造商，有很多高效率的实时跟踪调试工具，采用AMBA片上总线，可以使设计时间更短，加快了产品上市时间。
ARM的高性能表现为其体系结构是基于RISC流水线架构，它的指令系统和相关译码机制比那些采用微程序的复杂指令系统的计算机（CISC）简单得多。这个简化带来三个优点：
①指令的高吞吐率
②极其有效的实时中断响应
③小的高性价比的处理器宏单元
流水线结构可以使所有的处理部件和存储器系统连续操作，典型情况是当一条指令正在被执行时，后一条指令正在被译码，第三条指令同时被从存储器中取指。
应用领域
ARM的半导体合作伙伴都是基于ARM架构来设计、制造、打市场和销售微处理器、专用集成电路（ASIC）和专用标准产品（ASSP）。各个不同厂商在ARM技术的基础上加上它们自己的技术和能力，利用ARM广泛支持的架构生产出各种不同的产品。这些基于ARM技术的微处理器已经被广泛应用于各种电子产品，特别是一些高端嵌入式控制应用，例如汽车电子设备、移动电话、硬盘驱动器、调制解调器、工业控制、海量存储、网络通信、无线通信和各种消费娱乐电子产品。
解决方案
ARM可以提供一组基本内核、体系结构扩展、微处理器和片上系统（SOC）等解决方案，而它们都使用一个公共的软件结构，即在整个产品的范围内都允许相同的软件。
一组基本内核
①ARM7是一种小型的高性能低功耗可集成32位RISC处理器内核，这最初是为便携式通信设备而开发的。
②ARM7TDMI是一种授权最广泛的产品，它把ARM7的指令系统与Thumb相结合，减少了存储器的容量，降低了系统成本。
EmbeddedICE调试器使系统设计更容易，DSP加强了乘法扩展功能，提升了性能，典型应用是数字移动电话和硬盘驱动器。
③ARM9TDMI是一种有5级流水线，集成有Thumb扩展功能、调试功能和哈佛总线的内核。在同样工艺下，它是ARM7TDMI性能的两倍以上。典型应用为网络和机顶盒。
④ARM9E-S是基于ARM9TDMI的内核，在原指令系统上扩展了高级信号处理功能的指令。它可用于需要控制和DSP的应用，包括硬盘驱动（HDD）、数字视频盘DVD、移动电话、自动和工业控制领域。
⑤ARM10TDMI是一种比ARM9TDMI有更高性能的内核，其性能几乎是ARM9TDMI的两倍，有6级流水线、哈佛总线、Thumb扩展功能和对所有编程模型状态的全调试访问。主要应用于下一代手持通信产品和数码电子消费产品以及多媒体应用。
⑥可组合内核：ARM已经开发出最流行的可组合内核，包括ARM7TDMI-S、ARM9TDMI-S、ARM946E-S和ARM966E-S解决方案。这些软内核在功能上等效于已存在的硬内核，但是这会给特定的用户带来更多的灵活性。
完整的微处理器内核
①ARM720T、ARM920T和ARM1020T是低价格、低功耗的通用系统封装的微处理器，它们带有高速缓冲存储器（Cache）、存储器管理、写入缓冲器和JTAG接口，并为高级OS平台作了优化，可应用于手持计算装置、数据通信和消费电子多媒体产品。
②ARM740T、ARM940T、ARM946E-S和ARM966E-S是低价格低功耗高性能的通用微处理器，为嵌入式控制作了优化，目标应用包括高级引擎管理、仪器、安全系统和高端打印机。
提供的硅技术
①ARM10系列：300MHz ARM10处理器系列是有矢量浮点（VFP）大容量片上指令Cache和数据Cache、带有支持虚拟存储页操作命令的MMU、写入缓冲器和新型高带宽先进的微控制器总线结构（AMBA）SOC总线接口。
ARM10解决方案可以支持Win CE和EPOC32，并将提供低系统价格、低功耗和容易集成到较大SOC设计的支持。
②StrongARM是一种具有非常高性能的通用微处理器，这是与DEC公司联合开发、并授权Intel公司制造生产，Intel公司用SA110命名该通用嵌入式标准处理器。SA1110用于Palm设备，SA1111作为配套芯片。Intel宣布下一代StrongARM将把性能提高2倍到3倍，而保持其功耗为0.5W以下。
获得高性能处理器设计技术的机会
由于投资和风险巨大、缺少自主的核心技术，虽然在中低端微处理器方面有了一定进展，但在设计和制造高性能处理器芯片方面一直是我国TI业的“芯病”痛，要达到当代处理器的国际先进水平，还难以在短期内有大的突破。即使已经具有设计和制造先进微处理器的能力，还一时无法成为市场的主流产品，不会改变世界计算机市场的格局。而ARM体系结构的产品，已经几乎成为嵌入式RISC芯片的垄断机种，通过购买合法授权就可以得到相关的设计和制造技术，在主流芯片的设计和制造中占有一席之地，相对风险要小得多。ARM公司也非常看好中国的市场，已开始与中兴公司合作，并十分希望与国内更多的企业合作，应该说双方只要抓住机会就很可能实现双赢。
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