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第一章 嵌入式系統概述. DMATEK CO.,LTD 深圳市長高科技有限公司. 本章節將介紹嵌入式系的發展歷程,透過對本文的閱讀,希望讀者能瞭解嵌入式系統發展史以及其相關的應用,並瞭解為何 ARM 會掘起,及其所生產各家族間的性能差異,有助於您選擇合適的嵌入式系統微控器晶片。 本章的主要內容有: - 嵌入式系統的發展史 - 嵌入式系統的兩大應用領域 - 何謂 ARM ? - ARM 家族的系列晶片. 1-1 嵌入式系統的定義與發展歷史.

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第一章嵌入式系統概述

DMATEK CO.,LTD

深圳市長高科技有限公司

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本章節將介紹嵌入式系的發展歷程,透過對本文的閱讀,希望讀者能瞭解嵌入式系統發展史以及其相關的應用,並瞭解為何ARM會掘起,及其所生產各家族間的性能差異,有助於您選擇合適的嵌入式系統微控器晶片。本章節將介紹嵌入式系的發展歷程,透過對本文的閱讀,希望讀者能瞭解嵌入式系統發展史以及其相關的應用,並瞭解為何ARM會掘起,及其所生產各家族間的性能差異,有助於您選擇合適的嵌入式系統微控器晶片。
  • 本章的主要內容有:
  • - 嵌入式系統的發展史
  • - 嵌入式系統的兩大應用領域
  • - 何謂ARM?
  • - ARM家族的系列晶片
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1-1嵌入式系統的定義與發展歷史
  • 嵌入式系統誕生起源於微型處理器時代,經歷了漫長的獨立發展的單晶片道路之後。為給嵌入式系統尋求科學上的定義,首先必須先瞭解嵌入式系統的發展歷史,並按照歷史性、本質性、普遍通用性來定義嵌入式系統,本章也將區分並把定義與特點相區分詳加介紹。再由於嵌入式系統應用中,把物件系統的廣泛性與單晶片的獨立發展道路上做一介紹,使也說明嵌入式系統應用在客觀上存在兩種模式-電子控制和多媒體網路,並從學科建設上的角度上,可統一成介紹嵌入式系統應用的高低端階產品的應用。
  • 目前,在嵌入式系統應用領域中,不少人對什麼是嵌入式系統不甚瞭解。有些人搞了十多年的單晶片應用,不知道單晶片就是一個最典型的嵌入式系統;也有些人在解釋什麼是嵌入式系統時,不是從定義出發,而是列舉了嵌入式系統的一些特點,往往不知所云。因此,有必要從現代計算機的發展歷史,瞭解嵌入式系統的由來,從學科建設的角度來探討嵌入式系統較為準確的定義。
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1、 現代電腦的技術發展史
  • (1) 始於微型處理裡器時代的嵌入式系統應用
  • 電子數位電腦誕生於1946年,在其後漫長的歷史進程中,電腦始終是供養安置在特殊的機房中,實現數值計算的大型昂貴設備。直到20世紀70年代,微處理器的出現,電腦才出現了歷史性的變化。以微處理器為核心的微型電腦以其小型、價廉、高可靠性特點,迅速地走出機房;基於高速數值運算能力的微型處裡器,表現出的智慧化水準引起了控制領域專業人士的興趣,要求將微型處裡理器嵌入到一個實際物件體系中,實現物件體系的智慧化控制。例如,將微型電腦經電氣加裝、機械加裝,並配置各種週邊介面電路,安裝到大型艦船中構成自動駕駛儀或輪機狀態監測系統。這樣一來,電腦便失去了原來的形態與通用的電腦功能。為了區別於原有的通用電腦系統,把嵌入到物件體系中,實現物件體系智慧化控制的電腦,稱作嵌入式電腦系統。因此,嵌入式系統誕生於微型處裡器時代,嵌入式系統的嵌入性本質是將一個電腦嵌入到一個物件體系中去,這些是理解嵌入式系統的基本出發點。
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(2)現代電腦技術的兩大分支
  • 由於嵌入式電腦系統要嵌入到物件體系中,實現的是物件的智慧化控制,因此,它有著與通用電腦系統完全不同的技術要求與技術發展方向。
  • 通用電腦系統的技術要求是高速、大量的數值計算;技術發展方向是將運算總線速度的無限提升,存儲容量的無限擴大。 而嵌入式電腦系統的技術要求則是物件的智慧化控制能力;技術發展方向是與物件系統密切相關的嵌入性能、控制能力與控制的可靠性。
  • 早期,人們勉為其難地將通用電腦系統進行改裝,在大型設備中實現嵌入式應用。然而,對於眾多的物件系統(如家用電器、儀錶儀器、工控單元……),無法嵌入通用電腦系統,況且嵌入式系統與通用電腦系統的技術發展方向完全不同,因此,必須獨立地發展通用電腦系統與嵌入式電腦系統,這就形成了現代電腦技術發展的兩大分支。
  • 如果說微型處裡理器的出現,使電腦進入到現代電腦發展階段,那麼嵌入式電腦系統的誕生,則標誌了電腦進入了通用電腦系統與嵌入式電腦系統兩大分支並平行發展的時代,從而導致20世紀末,電腦的高速發展時期。
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(3) 兩大分支發展的里程碑事件
  • 通用電腦系統與嵌入式電腦系統的專業化分工發展,導致20世紀末、21世紀初,電腦技術的飛速發展。電腦專業領域集中精力發展通用電腦系統的軟、硬體技術,不必兼顧嵌入式應用要求,通用微處理器迅速從286、386、486到奔騰系列;作業系統則迅速擴張電腦基於高速大量的資料檔案處理能力,使通用電腦系統進入到盡善盡美階段。
  • 嵌入式電腦系統則走上了一條完全不同的道路,這條獨立發展的道路就是單晶片化道路。它動員了原有的傳統電子系統領域的廠家與專業人士,接過起源於電腦領域的嵌入式系統,承擔起發展與普及嵌入式系統的歷史任務,迅速地將傳統的電子系統發展到智慧化的現代電子系統時代。
  • 因此,現代電腦技術發展的兩大分支的里程碑意義在於:它不僅形成了電腦發展的專業化分工,而且將發展電腦技術的任務擴展到傳統的電子系統領域,使電腦成為進入人類社會全面智慧化時代的有力工具。
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2、 嵌入式系統的定義與特點
  • 如果我們瞭解了嵌入式(電腦)系統的由來與發展,對嵌入式系統就不會產生過多的誤解,而能歷史地、本質地、普遍適用清楚地定義嵌入式系統。
  • (1) 嵌入式系統的定義
  • 按照歷史性、本質性、普遍性要求,嵌入式系統應可定義為:“嵌入到物件體系中的專用電腦系統”。“嵌入性”、“專用性”與“電腦系統”是嵌入式系統的三個基本要素。物件系統則是指嵌入式系統所嵌入的宿主系統。
  • (2) 嵌入式系統的特點
  • 嵌入式系統的特點與定義不同,它是由定義中的三個基本要素衍生出來的。不同的嵌入式系統其特點會有所差異。
  • 與“嵌入性”的相關特點:由於是嵌入到物件系統中,必須滿足物件系統的環境要求,如物理環境(小型)、電氣/氣氛環境(可靠)、成本(價廉)等要求。
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與“專用性”的相關特點:軟、硬體的裁剪性;滿足物件要求的最小軟、硬體配置等。與“專用性”的相關特點:軟、硬體的裁剪性;滿足物件要求的最小軟、硬體配置等。
  • 與“電腦系統”的相關特點:嵌入式系統必須是能滿足物件系統控制要求的電腦系統。與上兩個特點相呼應,這樣的電腦必須配置有與物件系統相適應的介面電路。
  • 另外,在理解嵌入式系統定義時,不要與嵌入式設備相混淆。嵌入式設備是指內部有嵌入式系統的產品、設備,例如,內含單晶片的家用電器、儀器儀錶、工控單元、機器人、手持電話、PDA等。
  • (3) 嵌入式系統的種類與發展
  • 按照上述嵌入式系統的定義,只要滿足定義中三要素的電腦系統,都可稱為嵌入式系統。嵌入式系統按形態可分為設備級(工控機)、板級(單板、模組)、晶片級(MCU、SoC)。
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有些人把嵌入式處理器當作嵌入式系統,但由於嵌入式系統是一個嵌入式電腦系統,因此,只有將嵌入式處理器構成一個電腦系統,並作為嵌入式應用時,這樣的電腦系統才可稱作嵌入式系統。有些人把嵌入式處理器當作嵌入式系統,但由於嵌入式系統是一個嵌入式電腦系統,因此,只有將嵌入式處理器構成一個電腦系統,並作為嵌入式應用時,這樣的電腦系統才可稱作嵌入式系統。
  • 嵌入式系統與物件系統密切相關,其主要技術發展方向是滿足嵌入式應用要求,不斷擴展物件系統要求的週邊電路(如ADC、DAC、PWM、RTC、電源監測、程式執行監測電路等),形成滿足物件系統要求的應用系統。因此,嵌入式系統作為一個專用電腦系統,要不斷向電腦應用系統發展。因此,可以把定義中的專用電腦系統延伸成,滿足物件系統要求的電腦應用系統。
  • 3、 嵌入式系統的獨立發展道路
  • (1) 單晶片開創了嵌入式系統獨立發展道路
  • 嵌入式系統雖然起源於微型電腦時代,然而,微型電腦的體積、價位、可靠性都無法滿足廣大物件系統的嵌入式應用要求,因此,嵌入式系統必須走獨立發展道路。這條道路就是晶片化道路。將電腦做在一個晶片上,從而開創了嵌入式系統獨立發展的單晶片時代。
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在探索單晶片的發展道路時,有過兩種模式,即“Σ模式”與“創新模式”。“Σ模式”本質上是通用電腦直接晶片化的模式,它將通用電腦系統中的基本單元進行裁剪後,集成在一個晶片上,構成單晶片微型電腦;“創新模式”則完全按嵌入式應用要求進行全新的設計全新的,滿足嵌入式應用要求的體系結構、微處理器、指令系統、匯流排方式、管理模式等。Intel公司的MCS-48、MCS-51就是按照創新模式發展起來的單晶片形態的嵌入式系統(單晶片微型電腦)。MCS-51是在MCS-48探索基礎上,進行全面完善的嵌入式系統。歷史證明,“創新模式”是嵌入式系統獨立發展的正確道路,MCS-51的體系結構也因此成為單晶片嵌入式系統的典型結構體系。在探索單晶片的發展道路時,有過兩種模式,即“Σ模式”與“創新模式”。“Σ模式”本質上是通用電腦直接晶片化的模式,它將通用電腦系統中的基本單元進行裁剪後,集成在一個晶片上,構成單晶片微型電腦;“創新模式”則完全按嵌入式應用要求進行全新的設計全新的,滿足嵌入式應用要求的體系結構、微處理器、指令系統、匯流排方式、管理模式等。Intel公司的MCS-48、MCS-51就是按照創新模式發展起來的單晶片形態的嵌入式系統(單晶片微型電腦)。MCS-51是在MCS-48探索基礎上,進行全面完善的嵌入式系統。歷史證明,“創新模式”是嵌入式系統獨立發展的正確道路,MCS-51的體系結構也因此成為單晶片嵌入式系統的典型結構體系。
  • (2) 單晶片的技術發展史
  • 單晶片誕生於20世紀70年代末,經歷了SCM、MCU、SoC三大階段。
  • SCM即單晶片微型電腦(Single Chip Microcomputer)階段,主要是尋求最佳的單晶片形態嵌入式系統的最佳體系結構。“創新模式”獲得成功,奠定了SCM與通用電腦完全不同的發展道路。在開創嵌入式系統獨立發展道路上,Intel公司功不可沒。
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MCU即微控制器(Micro Controller Unit)階段,主要的技術發展方向是:不斷擴展滿足嵌入式應用時,物件系統要求的各種週邊電路與介面電路,突顯其物件的智慧化控制能力。它所涉及的領域都與物件系統相關,因此,發展MCU的重任不可避免地落在電氣、電子技術廠家。從這一角度來看,Intel逐漸淡出MCU的發展也有其客觀因素。在發展MCU方面,最著名的廠家當數Philips公司。
  • Philips公司以其在嵌入式應用方面的巨大優勢,將MCS-51從單晶片微型電腦迅速發展到微控制器。因此,當我們回顧嵌入式系統發展道路時,不要忘記Intel和Philips的歷史功績。
  • 單晶片是嵌入式系統的獨立發展之路,向MCU階段發展的重要因素,就是尋求應用系統在晶片上的最大化解決;因此,專用單晶片的發展自然形成了SoC化趨勢。隨著微電子技術、IC設計、EDA工具的發展,基於SoC的單晶片應用系統設計會有較大的發展。因此,對單晶片的理解可以從單晶片微型電腦、單晶片微控制器延伸到單晶片應用系統。
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4、 嵌入式系統的兩種應用模式
  • 嵌入式系統的嵌入式應用特點,決定了它的多學科交叉跨領域的特點。作為電腦的內涵含,要求電腦領域人員介入其體系結構、軟體技術、工程應用方面的研究。然而,瞭解物件系統的控制要求,實現系統控制模式必須具備物件領域的專業知識。因此,從嵌入式系統發展的歷史過程,以及嵌入式應用的多樣性中,可以瞭解到客觀上形成的兩種應用模式。
  • (1) 客觀存在的兩種應用模式-電子控制及多媒體網路
  • 嵌入式系統兩種應用模式為電子控制及多媒體網路。嵌入式電腦系統起源於微型處裡理器時代,但很快就進入到獨立發展的單晶片時代。在單晶片時代,嵌入式系統以器件形態迅速進入到傳統電子技術領域中,以電子技術應用工程師為主體,實現傳統電子系統的智慧化,而電腦專業隊伍並沒有真正進入單晶片應用領域。因此,電子技術應用工程師以自己習慣性的電子技術應用模式,從事單晶片的應用開發。這種應用模式最重要的特點是:軟、硬體的底層性和隨意性;物件系統專業技術的密切相關性;缺少電腦工程設計方法。
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雖然在單晶片時代,電腦專業淡出了嵌入式系統領域,但隨著後PC時代的到來,網路、通信技術得以發展;同時,嵌入式系統軟、硬體技術有了很大的提升,為電腦專業人士介入嵌入式系統應用開闢了廣闊天地。電腦專業人士的介入,形成的電腦應用模式帶有明顯的電腦的工程應用特點,即基於嵌入式系統軟、硬體平臺台,以網路、通信為主的非嵌入式底層應用。雖然在單晶片時代,電腦專業淡出了嵌入式系統領域,但隨著後PC時代的到來,網路、通信技術得以發展;同時,嵌入式系統軟、硬體技術有了很大的提升,為電腦專業人士介入嵌入式系統應用開闢了廣闊天地。電腦專業人士的介入,形成的電腦應用模式帶有明顯的電腦的工程應用特點,即基於嵌入式系統軟、硬體平臺台,以網路、通信為主的非嵌入式底層應用。
  • (2) 電子控制及多媒體網路兩種應用模式的並存與互補
  • 由於嵌入式系統最大、最廣、最底層的應用是傳統電子技術領域的智慧化改造,因此,以通曉物件專業的電子技術隊伍為主,用最少的嵌入式系統軟、硬體開銷,以8位元單晶片為主,帶有濃重的電子系統設計色彩的電子系統應用模式會長期存在下去。另外,電腦專業人士會愈來愈多地介入嵌入式系統應用,但礙於物件專業知識的隔閡,其應用領域會集中在網路、通信、多媒體、商務電子等方面,不可能替代原來電子工程師在控制、儀器儀錶、機械電子等方面的嵌入式應用。因此,客觀存在的兩種應用模式會長期並存下去,在不同的領域中相互補充。電子系統設計模式應從電腦應用設計模式中,學習電腦工程方法和嵌入式系統軟體技術;電腦應用設計模式應從電子系統設計模式中,瞭解嵌入式系統應用的電路系統特性、基本的週邊電路設計方法和物件系統的基本要求等。
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(3) 嵌入式系統應用的高階與低端階的應用
  • 由於嵌入式系統有過很長的一段單晶片的獨立發展道路,大多是基於8位元單晶片,實現最底層的嵌入式系統應用,帶有明顯的電子系統設計模式特點。大多數從事單晶片應用開發人員,都是物件系統領域中的電子系統工程師,加之上單晶片的出現,立即脫離了電腦專業領域,以“智慧化”器件身份進入電子系統領域,沒有帶入“嵌入式系統”概念。因此,不少從事單晶片應用的人,不瞭解單晶片與嵌入式系統的關係,在談到“嵌入式系統”領域時,往往理解成電腦專業領域的,基於32位元嵌入式處理器,從事網路、通信、多媒體等的應用。因此這樣,“單晶片”與“嵌入式系統”形成了嵌入式系統中常見的兩個獨立的名詞。但由於“單晶片”是典型的、獨立發展起來的嵌入式系統,從學科建設的角度出發,應該把它統一成“嵌入式系統”。考慮到原來單晶片的電子系統底層應用特點,可以把嵌入式系統應用分成高端階與低端階,把原來的單晶片應用理解成嵌入式系統的低端階應用,含義為它的底層性以及與物件系統的緊耦合。而把多媒體網路以及作業系統的組合稱為高階應用。
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1-2 嵌入式微處理器的介紹:
  • 1-2.1 ARM微處理器架構
  • ARM-Advanced RISC Machines
  • ARM(Advanced RISC Machines),既可以稱為是一個公司的名字,也可以稱為是一個微處理器的通稱,還可以稱為是一種一項技術的名字稱。
  • 1991年ARM公司成立於英國劍橋,主要出售晶片設計技術的授權。目前,採用ARM技術知識產權(IP)核心的微處理器,即我們通常所說的ARM微處理器,已遍及工業控制、消費性電子產品、通信系統、網路系統、無線系統等各類產品市場,基於ARM技術的微處理器應用大約占據了32位元RISC微處理器75%以上的市場市佔率,ARM技術正在逐步滲入到我們生活的各個方面。
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ARM公司是專門從事基於RISC技術晶片設計開發的公司,作為知識產權供應商,本身不直接從事晶片生產,靠轉讓技術許可由合作公司生產各具特色的晶片,世界各大半導體生產商從ARM公司購買其設計的ARM微處理器核心,根據各自不同的應用領域,加入適當的外圍電路,從而形成自己的ARM微處理器晶片進入市場。目前,全世界有幾十家大的半導體公司都使用ARM公司的授權,因此既使得ARM技術獲得更多的第三方工具、製造、軟體的支援,又使整各系統成本降低,使產品更容易進入市場被消費者所接受,更具有競爭力。
  • 1-2.2 ARM微處理器的應用領域及特點
  • 1-2.2.1 ARM微處理器的應用領域
  • 到目前為止,ARM微處理器及技術的應用幾乎已經深入到各個領域:
  • 1. 工業控制領域:作為32位元的RISC架構,基於ARM核心的微控制器晶片不但占據了高端階微控制器市場的大部分市場市佔率,同時也逐漸向低端階微控制器應用領域擴展,ARM微控制器的低功耗、高性能比,向傳統的8位元/16位元微控制器提出了挑戰。
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2. 無線通訊領域:目前已有超過85%的無線通訊設備採用了ARM技術, ARM以其高性能和低成本,在該領域的地位日益堅固。
  • 3. 網路應用:隨著寬頻網路技術的推廣,採用ARM技術的ADSL晶片正逐步獲得競爭優勢。此外,ARM在語音及視頻處理上進行了優最佳化,並獲得廣泛地支援,也對DSP的應用領域提出了挑戰。
  • 4. 消費性電子產品:ARM技術廣泛地應用在目前流行的數位音頻播放器、數位機上盒和遊戲機中得到廣泛採用。
  • 5. 影像和安全產品:現在流行的數位相機和打印機中絕大部分採用ARM技術。手機中的32位元SIM智能卡也採用了ARM技術。
  • 除此以外,ARM微處理器及技術還應用到許多不同的領域,並會在將來取得更加廣泛的應用。
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1-2.2.2 ARM微處理器的特點
  • 1. 採用RISC架構的ARM微處理器一般具有如下特點:
  • 1.體積小、低功耗、低成本、高性能。
  • 2. 支援Thumb(16位元)/ARM(32位元)雙指令集,能很好的相容8位元/16位元元件。
  • 3. 大量使用暫存器,指令執行速度更快。
  • 4. 大多數數據操作都在暫存器中完成。
  • 5. 定址方式靈活簡單,執行效率高。
  • 6. 指令長度固定。
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1-3 ARM微處理器系列:
  • ARM微處理器目前包括下面幾個系列,以及其它廠商基於ARM體系結構的處理器,除了具有ARM體系結構的共同特點以外,每一個系列的ARM微處理器都有各自的特性和應用領域。

- ARM7系列

- ARM9系列

- ARM9E系列

- ARM10E系列

- SecurCore系列

- Intel的StrongARM (Digital Equipment Corporation)

- Marvell的Xscale (Intel)

- ARM11E系列

- Cortex系列

  • 其中,ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10為一般處理器系列,每一個系列提供一套相對獨特的性能來滿足不同應用領域的需求。SecurCore系列專門為安全要求較高的應用而設計。
  • 以下我們來詳細瞭解一下各種處理器的特性及應用領域。
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1-3.1 ARM7微處理器系列
  • ARM7系列微處理器為低功耗的32位元RISC處理器,最適合用於對價位和功耗要求較高的消費性產品應用。ARM7微處理器系列具有如下特性:

- 具有嵌入式ICE-RT邏輯,除錯開發方便。

- 極低的功耗,適合對功耗要求較高的應用,如可攜式產品。

- 能夠提供0.9MIPS/MHz的三級管線結構。

- 代碼密度高並兼容16位的Thumb指令集。

- 對操作系統作業系統的支援廣泛,包括Windows CE、Linux、Palm OS等。

- 指令系統與ARM9系列、ARM9E系列和ARM10E系列兼容,便於使用者的產品升級替代。

- 主頻率最高可達130MIPS,高速的運算處理能力能勝任絕大多數的複雜應用。

  • ARM7系列微處理器的主要應用領域為:工業控制、Internet設備、網路和調制解調器設備、移動電話等多種多媒體和嵌入式應用。
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ARM7系列微處理器包括如下幾種類型的核心,如下表1-1所示:ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ。其中,ARM7TMDI是目前使用最廣泛的32位元嵌入式RISC處理器,屬低端階ARM處理器核心。TDMI的基本含意為:ARM7系列微處理器包括如下幾種類型的核心,如下表1-1所示:ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ。其中,ARM7TMDI是目前使用最廣泛的32位元嵌入式RISC處理器,屬低端階ARM處理器核心。TDMI的基本含意為:
  • T: 支援16位元元壓縮指令集Thumb。
  • D: 支援片上Debug。
  • M: 內嵌硬體乘法器(Multiplier)。
  • I: 嵌入式ICE,支援晶片上斷點和除錯點。
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1-3.2 ARM9微處理器系列
  • ARM9系列微處理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。具有以下特性:

- 5級整數管線,指令執行效率更高。

- 提供1.1MIPS/MHz的哈佛架構。

- 支援32位元ARM指令集和16位元Thumb指令集。

- 支援32位元的高速AMBA匯流排介面。

- 全性能的MMU(Memory Management Unit) 內存記憶體管理單元,支援Windows CE、Linux、Palm OS等多種主流嵌入式操作系統作業系統。

- MPU(Memory Protection Unit)存儲保護單元,支援即時操作業系統。

- 支援數據Cache和指令Cache,具有更高的指令和數據處理能力。

  • ARM9系列微處理器主要應用於無線設備、儀器儀錶、安全系統、數位機上盒、高端印表機、數位相機和數位攝影機等。
  • ARM9系列微處理器包含ARM920T、ARM922T和ARM940T三種類型,以適用於不同的應用場合,如下表1-2所示。
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1-3.3 ARM9E微處理器系列
  • ARM9E系列微處理器為可綜合處理器,使用單一的處理器核心提供了微控制器、DSP、Java應用系統的解決方案,極大的減少了晶片的面積和系統的複雜程度。ARM9E系列微處理器提供了增強的DSP處理能力,很適合於那些需要同時使用DSP和微控制器的應用場合。
  • ARM9E系列微處理器的主要特性如下:

- 支援DSP指令集,適合於需要高速數位信號處理的場合。

- 5級整數管線,指令執行效率更高。

- 支援32位元ARM指令集和16位元Thumb指令集。

- 支援32位元的高速AMBA匯流排介面。

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- 支援VFP9浮點處理協處理器。

- 全性能的MMU,支援Windows CE、Linux、Palm OS等多種主流嵌入式操作業系統。

- MPU支援即時操作業系統。

- 支援數據Cache和指令Cache,具有更高的指令和數據處理能力。

- 主頻率最高可達300MIPS。

  • ARM9系列微處理器主要應用於下一代無線設備、數位消費性產品、影像設備、工業控制、存儲設備和網路設備等領域。
  • ARM9E系列微處理器包含ARM926EJ-S、ARM946E-S和ARM966E-S三種類型,以適用於不同的應用場合,如下表1-3所示。
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1-3.4 ARM10E微處理器系列
  • ARM10E系列微處理器具有高性能、低功耗的特性,由於採用了新的體系結構,與同等的ARM9器件相比較,在同樣的工作頻率下,性能提高了近50%,同樣,ARM10E系列微處理器採用了兩種先進的節能方式,使其功耗極低。
  • ARM10E系列微處理器的主要特性如下:

- 支援DSP指令集,適合於需要高速數位信號處理的場合。

- 6級整數管線,指令執行效率更高。

- 支援32位元ARM指令集和16位元Thumb指令集。

- 支援32位元的高速AMBA匯流排介面。

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- 支援VFP10浮點處理協處理器。

- 全性能的MMU,支援Windows CE、Linux、Palm OS等多種主流嵌入式操作業系統。

- 支援數據Cache和指令Cache,具有更高的指令和數據處理能力

- 主頻率最高可達400MIPS。

- 內嵌並行讀/寫操作元件。

  • ARM10E系列微處理器主要應用於下一代無線設備、數位消費性品、影像設備、工業控制、通信和信息系統等領域。
  • ARM10E系列微處理器包含ARM1020E、ARM1022E和ARM1026EJ-S三種類型,以適用於不同的應用場合,如下表1-4所示。
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1-3.5 SecurCore微處理器系列
  • SecurCore系列微處理器專為安全需要而設計,提供了完善的32位元RISC技術的安全解決方案,因此,SecurCore系列微處理器除了具有ARM體系結構的低功耗、高性能的特性外,還具有其獨特的優勢,即提供了對安全解決方案的支援。
  • SecurCore系列微處理器除了具有ARM體系結構各種主要特性外,還在系統安全方面具有如下的特性:

- 帶有靈活的保護單元,以確保操作系統作業系統和應用數據的安全。

- 採用軟體核心技術,防止外部對其執行掃描探測。

- 可集成使用者自己的安全特性和其他協處理器。

  • SecurCore系列微處理器主要應用於一些對安全性要求較高的應用產品及應用系統,如電子商務、電子政務、電子銀行執行業務、網路和認證系統等領域。
  • SecurCore系列微處理器包含SecurCore SC100、SecurCore SC110、SecurCore SC200和SecurCore SC210四種類型,以適用於不同的應用場合。
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1-3.6 StrongARM微處理器系列
  • Intel StrongARM SA-1100處理器是採用ARM體系結構高度集成的32位元RISC微處理器。它融合了Intel公司的設計和處理技術以及ARM體系結構的電源效率,採用在軟體上兼容ARMv4體系結構、同樣採用具有Intel技術優點的體系結構。
  • Intel StrongARM處理器是便攜式通訊產品和消費性電子產品的理想選擇,已成功應用於多家公司的掌上電腦系列產品。
  • 1-3.7 XScale處理器
  • XScale 處理器是基於ARMv5TE體系結構的解決方案,是一款全性能、高性價比、低功耗的處理器。它支援16位元的Thumb指令和DSP指令集,已使用在數位行動電話、個人數位助理(PDA)和網路產品等場合。
  • XScale 處理器是Intel目前主要推廣的一款ARM微處理器。而Intel StrongARM與XScale處理器的差異處,請參考表1-5所示:
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XScale微架構處理器的主要特徵如下:
  • 採用7級多級管線、動態跳轉預測和轉移目標緩衝器(BTB,Branch Target Buffer)技術。
  • 支援多媒體處理技術(MMX),新增乘/累加器MAC、40位累加器、相容ARMV5TE指令和特定DSP型輔助運算器。
  • 採用32KB的指令Cache和32KB的資料Cache。
  • 增加了微小型資料/指令Cache。
  • 指令記憶體管理單元和資料記憶體管理單元(IMMU/DMMU)。
  • 採用動態電源管理技術與性能監視。
  • 除錯單元。
  • 1-3.8 ARM11微處理器系列
  • ARM11家族包括:ARM1136J(F)-S、ARM1156T2(F)-S和ARM1176JZ(F)-S,見表1-6。
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ARM1156T2-S和ARM1156T2F-S核心都基於ARMv6指令集體系結構是首批含有ARM Thumb-2核心技術的產品,可進一步減少與儲存系統相關的生產成本。兩款新核心主要用於多種嵌入式儲存器,汽車應用,提高了更高的CPU性能,並增加了許多特殊功能,可解決新一代裝置的設計難題。體系結構中增添的功能包括:對於汽車安全系統類安全應用產品開發非常重要的儲存器容錯能力,ARM1156T2-S和ARM1156T2F-S核心與新的AMBA3.0 AXI的匯流排一致,可滿足高性能系統的大量資料儲存需求。Thumb-2核心技術結合了16位元、32位元元指令集系統結構,提共更低功耗、更高性能、更短的編碼,該技術提共的軟體技術方案減少26%儲存空間,較現在的Thumb技術方案增速25%。
  • ARM1176JZ-S和ARM1176JZF-S核心及PrimeXsys平台是首批ARM TrustZone技術實現手持裝置和消費電子中公開作業系統的超強安全性產品,同時也是首次對節約高達75%處理器功耗的ARM智慧管理(ARM Intelligent Energey Manager)的支援。ARM1176JZ-S和ARM1176JZF-S核心基於ARMv6指令集體系結構,主要為服務供應商提供新一代消費電子商務和安全網路下載提供服務。
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ARM11系列微處理器的主要特點如下所列:
  • 8級的整數管線能夠驅動出高時脈頻率。
  • 高執行成效的記憶體系統設計,提供4-64K Cache的容量。
  • ARMv6記憶體系統結構以加速OS本文切換(context-switch)。
  • 向量式的中斷介面以及低中斷延遲模式可以,加快中斷的響應與即時的成效。
  • 可選擇的向量浮點協同處理器(ARM1136JF-S)以用來作自動/工業上控制以及3D繪圖的加速度。
  • 而每一處理器相關的差異性,如下表1-7所示:
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1、ARM1156T2(F)-S核心
  • 性能
    • 0.13um製程下,可達550MHz。
    • Thumb-2 ISA提供快速緊密的程式代碼。
    • 比ARM程式代碼快26%,比Thumb程式代碼小25%。
    • 9級管線流提供高速度傳輸。
    • 可選擇的浮點單元:ARM1156T2F-S。
    • 並行的載入 / 存回與整數執行。
    • AXI bus提供核心速度的傳輸量。
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容錯保護
    • 容錯以防止軟體發生錯誤。
    • 細微的內部存取保護單元。
  • 可預測
    • 快速低延遲的中斷響應。
    • 確定的操作。
  • 效率
    • ARM核心最高的傳輸量。
    • 整體跳躍預測1.35 DMIPS/MHz。
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2、ARM1176JZ(F)-S核心
  • ARMv6架構
    • 媒體擴展。
    • 增強Jazelle。
    • 增強即時性能(快速中斷模式/支援VIC)。
  • 550MHz ARM11核心
    • 快速8級管線流。
    • 動態跳躍與返回堆疊。
    • 可選擇的浮點向量。
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高性能AXI內部存取系
    • 可配置的I&D Caches與TCMs以及專用的64位元DMA。
  • 支援IEM
    • 支援多電壓區域(睡眠模式)與電壓比例控制。
  • ARM TrustZone技術
    • 針對CPU與系統安全的架構擴展。
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1-3.9 Cortex微處理器系列
  • ARM公司於2004年推出了Cortex-M3微處理器,如果按ARM公司原來的ARM7,ARM9,ARM11等方式來命名,這款晶片的名稱應該為ARM12,但是ARM已經決定用Cortex系列來命名,最新推出的第一款產品是Cortex-M3,主要是針對微控制器(MCU)領域。將來ARM還會推出針對應用的Cortex-A系列,針對即時作業系統的R系列。Cortex-M3採用的ARMv7指令集,它的速度比ARM7快三分之一,功耗低四分之三,並且能實現更小晶片面積,利於將更多功能整合在更小的晶片尺寸中。
  • Cortex-M3是一個32位元的核心,在傳統的單晶片領域中,有一些不同於通用32位元CPU應用的要求。舉例說,在工控領域,用戶要求具有更快的中斷速度,Cortex-M3採用了Tail-Chaining中斷技術,完全基於硬體進行中斷處理,最多可減少12個時鐘週期數,在實際應用中可減少70%中斷。
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單晶片的另外一個特點是除錯工具非常便宜,不像ARM的模擬器動輒幾千上萬。針對這個特點,Cortex-M3採用了新型的單線除錯(Single Wire)技術,專門拿出一個接腳來做除錯,從而節約了大筆的除錯工具費用。同時,Cortex-M3中還集成了大部分記憶體控制器,這樣工程師可以直接在MCU外連接Flash,降低了設計難度和應用障礙。
  • ARM Cortex-M3處理器結合了多種突破性技術,令晶片供應商提供超低費用的晶片,僅33000門的核心性能可達1.2DMIPS/MHz。該處理器還集成了許多緊耦合系統外設,令系統能滿足下一代產品的控制需求。ARM公司希望Cortex-M3核心的推出,能幫助單晶片廠商實現由8位元(16位元)向32位元微處理器的快速移值。
  • ARM Cortex-M3處理器簡介
  • 基於ARM嵌入式處理器的片上系統解決方案可應用於企業應用、汽車系統,家庭網路和無線技術等市場領域。ARM Cortex-M系列提供了一個標準的體系結構來滿足以上各種技術的不同性能要求,其包含的處理器基於ARMv7架構的三個分工明確的部分。A部分面向複雜的尖端應用程式,用於執行開放式的複雜作業系統;R部分針對即時系統;M部分為成本控制和微控制器應用提供優化。Cortex-M3是首款基於ARMv7-M架構的處理器,是專門為了在微控制器,汽車車身系統,工業控制系統和無線網路等對功耗和成本敏感的嵌入式應用領域實現高系統性能而設計的,它大大簡化了可編程的複雜性,使ARM架構成為各種應用方案(即使是最簡單的方案)的最佳選擇。
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Cortex Family家族(如下表1-8所示)
  • ARM Cortex-A系列:應用在複雜作業系統的處理和使用者的應用,提供了ARM, Thumb 和 Thumb-2指令集結構。
  • ARM Cortex-R系列:應用在嵌入式及時作業系統的處理,提供了ARM,Thumb和 Thumb-2指令集結構。
  • ARM Cortex-M系列:應用在對價格最敏感的低階嵌入式系統,只提供了Thumb-2指令集結構。
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1-4 問題與討論:
  • 一、何謂嵌入式系統?
  • 二、簡述嵌入式系統的定義及特性。
  • 三、說明嵌入式系統的應用。
  • 四、何謂ARM?
  • 五、ARM主要有那些家族。