RISC架构下的ARM微处理器应用研究

摘要：该文主要介绍了当下流行的嵌入式系统的RISC架构下微处理器ARM，分析ARM微处理器适应嵌入式系统的特点和它的相关产品适用的领域及其广阔的发展前景。

关键词：RISC架构；ARM微处理器；嵌入式微处理器

中图分类号：TP338文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)29-0495-02

The Research of Advanced RISC Machines' Application on Reduced Instruction Set Computing

XU Lei

(Liaoning University International Business and Economics Liaoning, Dalian 116052, China)

Abstract: The thesis discussed the Embedded System of the Advanced RISC Machines, it indicated the Embedded System’s foreground based on itscharacteristic.

Key words: reduced Instruction set computing; advanced RISC machines; embedded microprocessor

提到微处理器大家都会想到Intel公司和AMD公司的产品，但在当今嵌入式系统应用中还有一个同样响亮的名字ARM微处理器，它是一种RISC 架构下嵌入式系统的核心部件，被广泛的应用到工业控制、无线通讯、消费类电子产品等很多领域。

1 RISC架构

RISC的英文全称为“Reduced Instruction Set Computing”，中文即“精简指令集”，它的指令系统相对简单，它只要求硬件执行很有限且最常用的那部分指令，大部分复杂的操作则使用成熟的编译技术，由简单指令合成。目前在中高档服务器中普遍采用这一指令系统的CPU，特别是高档服务器全都采用RISC指令系统的CPU。在中高档服务器中采用RISC指令的CPU主要有Compaq（康柏，即新惠普）公司的Alpha、HP公司的PA-RISC、IBM公司的Power PC、MIPS公司的MIPS和SUN公司的Spare。RISC架构服务器是指采用精简指令系统计算结构(RISC)的服务器，与IA架构服务器(Intel Xeon处理器、AMD Opteron处理器)比较最大的区别在于:RISC架构服务器一般应用于中端UNIX领域，其在安全性、可靠性方面具有不言而喻的优势。在嵌入式处理器设计领域，RISC已经成为处理器结构设计的必然选择。

2 嵌入式微处理器

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。并且该系统是以提高对象体系智能性、控制力和人机交互能力为目的，通过相互作用和内在指标评定的，嵌入到对象体系中的专用计算机系统。而嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心部件，是决定嵌入式系统功能强弱的主要因素，也决定了嵌入式系统的应用范围和开发复杂度。那么嵌入式微处理器与通用微处理器有什么区别呢？嵌入式微处理器是具备强的中断、I\O、内存和能效管理能力，具有定制多类体系架构的特征，适应计算处理性能的微处理器。

3 ARM微处理器

ARM（Advanced RISC Machines），既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。

ARM公司成立于1990年11月，全称是“Advanced RISC Machines Ltd.”，它是由英国Acorn公司提供技术和12名工程师、美国苹果电脑和VLSI Technology（目前已被飞利浦收购）出资合手组建的美英混血公司。是微处理器行业的一家知名企业，设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。技术具有性能高、成本低和能耗省的特点。适用于多种领域，比如嵌入控制、消费/教育类多媒体、DSP和移动式应用等。

4 ARM微处理器应用领域

到目前为止，ARM微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域：

1) 工业控制领域：作为32的RISC架构，基于ARM核的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展，ARM微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8位/16位微控制器提出了挑战。

2) 无线通讯领域：目前已有超过85%的无线通讯设备采用了ARM技术， ARM以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。

3) 网络应用：随着宽带技术的推广，采用ARM技术的ADSL芯片正逐步获得竞争优势。此外，ARM在语音及视频处理上行了优化，并获得广泛支持，也对DSP的应用领域提出了挑战。

4) 消费类电子产品：ARM技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用。

5) 成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用ARM技术。手机中的32位SIM智能卡也采用了ARM技术。

除此以外，ARM微处理器及技术还应用到许多不同的领域，并会在将来取得更加广泛的应用。

5 ARM微处理器的特点

采用RISC架构的ARM微处理器一般具有如下特点：

1) 体积小、低功耗、低成本、高性能；

2) 支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好的兼容8位/16位器件；

3) 大量使用寄存器，指令执行速度更快；

4) 大多数数据操作都在寄存器中完成；

5) 寻址方式灵活简单，执行效率高；

6) 指令长度固定；

6 ARM微处理器产品

1) ARM7微处理器系列

ARM7系列微处理器为低功耗的32位RISC处理器，最适合用于对价位和功耗要求较高的消费类应用。

ARM7系列微处理器的主要应用领域为：工业控制、Internet设备、网络和调制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。

2) ARM9微处理器系列

ARM9系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。

ARM9系列微处理器主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。

ARM9系列微处理器包含ARM920T、ARM922T和ARM940T三种类型，以适用于不同的应用场合。

3) ARM9E微处理器系列

ARM9E系列微处理器为可综合处理器，使用单一的处理器内核提供了微控制器、DSP、Java应用系统的解决方案，极大的减少了芯片的面积和系统的复杂程度。ARM9E系列微处理器提供了增强的DSP处理能力，很适合于那些需要同时使用DSP和微控制器的应用场合。

ARM9系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、存储设备和网络设备等领域。

ARM9E系列微处理器包含ARM926EJ-S、ARM946E-S和ARM966E-S三种类型，以适用于不同的应用场合。

4) ARM10E微处理器系列

ARM10E系列微处理器具有高性能、低功耗的特点，由于采用了新的体系结构，与同等的ARM9器件相比较，在同样的时钟频率下，性能提高了近50％，同时，ARM10E系列微处理器采用了两种先进的节能方式，使其功耗极低。

ARM10E系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、通信和信息系统等领域。

ARM10E系列微处理器包含ARM1020E、ARM1022E和ARM1026EJ-S三种类型，以适用于不同的应用场合。

5) ARM11

ARM11是ARMv6体系结构的第一个实现，ARM11微结构的设计目的是为了高性能，而实现这一目的流水线是关键。ARM11微结构的流水线与以前的ARM不同(如图1)，它包含8级流水线，分别为预取1、预取2、解码、发送、转换/MAC1、执行/MAC2、内存访问/MAC3和写入等八个单元，使贯通率比以前的提高40%。

6) SecurCore微处理器系列

SecurCore系列微处理器专为安全需要而设计，提供了完善的32位RISC技术的安全解决方案，因此，SecurCore系列微处理器除了具有ARM体系结构的低功耗、高性能的特点外，还具有其独特的优势，即提供了对安全解决方案的支持。

SecurCore系列微处理器主要应用于一些对安全性要求较高的应用产品及应用系统，如电子商务、电子政务、电子银行业务、网络和认证系统等领域。

SecurCore系列微处理器包含SecurCore SC100、SecurCore SC110、SecurCore SC200和SecurCore SC210四种类型，以适用于不同的应用场合。

7) StrongARM微处理器系列

Inter StrongARM SA-1100处理器是采用ARM体系结构高度集成的32位RISC微处理器。它融合了Inter公司的设计和处理技术以及ARM体系结构的电源效率，采用在软件上兼容ARMv4体系结构、同时采用具有Intel技术优点的体系结构。

Intel StrongARM处理器是便携式通讯产品和消费类电子产品的理想选择，已成功应用于多家公司的掌上电脑系列产品。

8) Xscale处理器

Xscale 处理器是基于ARMv5TE体系结构的解决方案，是一款全性能、高性价比、低功耗的处理器。它支持16位的Thumb指令和DSP指令集，已使用在数字移动电话、个人数字助理和网络产品等场合。Xscale 处理器是Intel目前主要推广的一款ARM微处理器。

7 结语

ARM将其技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和OEM厂商，每个厂商得到的都是一套独一无二的ARM相关技术及服务。利用这种合伙关系，ARM很快成为许多全球性RISC标准的缔造者。目前，总共有30家半导体公司与ARM签订了硬件技术使用许可协议，其中包括Intel、IBM、LG半导体、NEC、SONY、菲利浦和国民半导体这样的大公司。至于软件系统的合伙人，则包括微软、升阳和MRI等一系列知名公司。同时随着新的应用的不断产生，新的嵌入式微处理器也层出不穷，可见ARM微处理器的还有很大的发展空间。

参考文献：

[1] 周立功.ARM嵌入式系统基础教程[M].北京:北京航空航天工业大学出版社,2005.

[2] 魏忠.嵌入式开发详解[M].北京:电子工业大学出版社,2003.