ARM版本及系列

ARM公司简介
ARM是Advanced RISC Machines的缩写，它是一家微处理器行业的知名企业，该企业设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC （精简指令集）处理器。 1985年第一个ARM原型在英国剑桥诞生。
公司的特点是只设计芯片，而不生产。它提供ARM技术知识产权（IP）核，将技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和OEM厂商，并提供服务。有ARM7/ARM9等多个版本。除了一些Unix图形工作站外，大多数ARM核心的处理器都使用在嵌入领域。
ARM，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处理器的应用
到目前为止，基于ARM技术的微处理器应用约占据了32位嵌入式微处理器75％以上的市场份额。
全球80%的GSM/3G手机、99%的CDMA手机以及绝大多数PDA产品均采用ARM体系的嵌入式处理器。
“掌上计算”相关的所有领域皆为其所主宰。
主要应用：消费类电子，无线、图像应用开放平台、存储、自动化、智能卡、SIM卡等。
ARM处理器的三大特点：耗电少功能强、16位/32位双指令集、众多合作伙伴。

各ARM体系结构版本
ARM体系结构从最初开发到现在有了很大的改进，并仍在完善和发展。
为了清楚地表达每个ARM应用实例所使用的指令集，ARM公司定义了6种主要的ARM指令集体系结构版本，以版本号V1～V6表示

 

ARM版本Ⅰ： V1版架构
该版架构只在原型机ARM1出现过，只有26位的寻址空间，没有用于商业产品。
其基本性能有:
基本的数据处理指令（无乘法）；
基于字节、半字和字的Load/Store指令;
转移指令，包括子程序调用及链接指令；
供操作系统使用的软件中断指令SWI；
寻址空间：64MB（226）。

 

ARM版本Ⅱ： V2版架构
该版架构对V1版进行了扩展，例如ARM2和ARM3（V2a）架构。包含了对32位乘法指令和协处理器指令的支持。
版本2a是版本2的变种，ARM3芯片采用了版本2a，是第一片采用片上Cache的ARM处理器。同样为26位寻址空间，现在已经废弃不再使用。
V2版架构与版本V1相比，增加了以下功能：
乘法和乘加指令；
支持协处理器操作指令；
快速中断模式；
SWP/SWPB的最基本存储器与寄存器交换指令;
寻址空间：64MB。

 

ARM版本Ⅲ ： V3版架构
ARM作为独立的公司，在1990年设计的第一个微处理器采用的是版本3的ARM6。它作为IP核、独立的处理器、具有片上高速缓存、MMU和写缓冲的集成CPU。
变种版本有3G和3M。版本3G是不与版本2a向前兼容的版本3，版本3M引入了有符号和无符号数乘法和乘加指令，这些指令产生全部64位结果。
V3版架构（ 目前已废弃 ）对ARM体系结构作了较大的改动：

寻址空间增至32位（4GB）；
当前程序状态信息从原来的R15寄存器移到当前程序状态寄存器CPSR中（Current Program Status Register）;
增加了程序状态保存寄存器SPSR（Saved Program Status Register）；
增加了两种异常模式，使操作系统代码可方便地使用数据访问中止异常、指令预取中止异常和未定义指令异常。；
增加了MRS/MSR指令，以访问新增的CPSR/SPSR寄存器；
增加了从异常处理返回的指令功能。

 

ARM版本Ⅳ ： V4版架构
V4版架构在V3版上作了进一步扩充，V4版架构是目前应用最广的ARM体系结构，ARM7、ARM8、ARM9和StrongARM都采用该架构。
V4不再强制要求与26位地址空间兼容，而且还明确了哪些指令会引起未定义指令异常。
指令集中增加了以下功能：
符号化和非符号化半字及符号化字节的存/取指令；
增加了T变种，处理器可工作在Thumb状态，增加了16位Thumb指令集；
完善了软件中断SWI指令的功能；
处理器系统模式引进特权方式时使用用户寄存器操作;
把一些未使用的指令空间捕获为未定义指令

 

ARM版本Ⅴ ： V5版架构
V5版架构是在V4版基础上增加了一些新的指令，ARM10和Xscale都采用该版架构。
这些新增命令有：
带有链接和交换的转移BLX指令；
计数前导零CLZ指令；
BRK中断指令；
增加了数字信号处理指令（V5TE版）； 为协处理器增加更多可选择的指令；
改进了ARM/Thumb状态之间的切换效率；
E---增强型DSP指令集，包括全部算法操作和16位乘法操作；
J----支持新的JAVA，提供字节代码执行的硬件和优化软件加速功能。

 

ARM版本Ⅵ ： V6版架构
V6版架构是2001年发布的，首先在2002年春季发布的ARM11处理器中使用。在降低耗电量地同时，还强化了图形处理性能。通过追加有效进行多媒体处理的SIMD(Single Instruction, Multiple Data，单指令多数据 )功能，将语音及图像的处理功能提高到了原型机的4倍。
此架构在V5版基础上增加了以下功能：
THUMBTM：35%代码压缩；
DSP扩充：高性能定点DSP功能；
JazelleTM：Java性能优化，可提高8倍；
Media扩充：音/视频性能优化，可提高4倍

 

ARM处理器系列
ARM公司开发了很多系列的ARM处理器核，目前最新的系列已经是ARM11。
ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10为4个通用处理器系列。
每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。
ARM7系列
ARM9系列
ARM9E系列
ARM10E系列
ARM11系列
SecurCore系列
Intel的Xscale
Intel的StrongARM

ARM7微处理器系列
低功耗的32位RISC处理器，冯·诺依曼结构。极低的功耗，适合便携式产品。
具有嵌入式ICE－RT逻辑，调试开发方便。
3级流水线结构。能够提供0.9MIPS的三级流水线结构
代码密度高，兼容16位的Thumb指令集。
对操作系统的支持广泛，包括Windows CE、Linux、Palm OS等。
指令系统与ARM9系列、ARM9E系列和ARM10E系列兼容，便于用户的产品升级换代。
主频最高可达130MIPS。
主要应用领域：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。

 

ARM7TDMI微处理器
4种类型：
ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ。
ARM7TMDI是目前使用最广泛的32位嵌入式RISC处理器，属低端ARM处理器核。
注：“ARM核”并不是芯片，ARM核与其它部件如RAM、ROM、片内外设组合在一起才能构成现实的芯片。  

 

 

ARM7TDMI内部结构
组成：处理器核、用于边界扫描的TAP控制器、在线仿真器ICE。
双向数据总线D[31：0]被分割成单向输入和输出总线，以便于与外部存储器兼容。

ARM7TDMI的模块和内核框图

ARM7TDMI功能信号图

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。
5级整数流水线，
哈佛体系结构。
支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。
全性能的MMU，支持Windows CE、Linux、Palm OS等多种主流嵌入式操作系统。
支持数据Cache和指令Cache，具有更高的指令和数据处理能力。
主要应用：无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数码照相机和数码摄像机。
3种类型：ARM920T、ARM922T和ARM940T。

 

ARM9E微处理器系列
单一处理器内核提供微控制器、DSP、Java应用系统的解决方案。
支持DSP指令集。
5级整数流水线，指令执行效率更高。
支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。
支持VFP9浮点处理协处理器。
全性能的MMU，支持Windows CE、Linux、Palm OS等多种主流嵌入式操作系统。
MPU支持实时操作系统。
支持数据Cache和指令Cache，
主频最高可达300MIPS。
主要应用：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。
3种类型：ARM926EJ-S、ARM946E-S和ARM966E-S。

 

ARM10E微处理器系列
与同等的ARM9比较，在同样的时钟频率下，性能提高了近50%，功耗极低。
支持DSP指令集。
6级整数流水线，指令执行效率更高。
支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。
支持VFP10浮点处理协处理器。
全性能的MMU，支持Windows CE、Linux、Palm OS等多种主流嵌入式操作系统。
支持数据Cache和指令Cache。
主频最高可达400MIPS。
内嵌并行读/写操作部件。
主要应用：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。
3种类型：ARM1020E、ARM1022E和ARM1026EJ-S。

 

SecurCore微处理器系列
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。
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。
主要应用：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。
4种类型：SecurCore SC100、SecurCore SC110、SecurCore SC200和SecurCore SC210。

 

Xscale处理器
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。
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

 

ARM系列流水线比较

ARM系列性能比较