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

作者: 時間:2017-06-04 來源:網絡 收藏
(Advanced RISC Machines)公司從1991年推出第一種RISC內核6開始至今,經過十年多堅持不懈的打造,已成為世界領先的RISC處理器知識產權(IP)提供商。ARM公司是一個概念創新的公司,它首先提出知識產權公開出售授權的概念,它既不生產芯片,也不銷售芯片,它的商業模式是搞設計和賣方案,它通過對數字電子公司在廣泛的應用中使用高性能、低價格、低功耗的微處理器和系統芯片進行授權而獲利。ARM公司也出售軟件和開發系統,還提供咨詢、技術支持、維護和培訓服務,以加快大家對ARM體系結構和產品的認知和接受,從而改變了世界半導體行業的格局。它借助于擁有的強大技術優勢,在世界范圍內與許多業界領先的半導體廠商和芯片設計中心、實時操作系統軟件開發商、應用軟件公司、電子設計自動化(EDA)工具供應商和系統公司建立合作關系,其中包括世界頂級的廠商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ARM技術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市場份額57.8%;2000年采用ARM IP核的芯片出貨量更是增長到4億片,RISC市場份額上升到74.3%,同期MIPS芯片占11.3%,Power PC芯片占3.4%。

特點和優勢

ARM技術與其他公司設計的處理器相比究竟有什么樣的優勢呢?

  ARM結構的關鍵優點是能兼顧到高性能、低功耗、低價格幾個方面而做得都比較好。首先在低功耗(MIPS/W-百萬條指令每秒/瓦)方面具有業界領先的性能,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的低價格方面,ARM向合作伙伴提供某些最具有競爭力價格的解決方案,可以使得新的消費電子產品由此能快速增長。加上具有最廣泛的第三方合作伙伴支持:有50家以上的RTOS軟件廠商和30家以上的EDA工具制造商,有很多高效率的實時跟蹤調試工具,采用AMBA片上總線,可以使設計時間更短,加快了產品上市時間。

  ARM的高性能表現為其體系結構是基于RISC流水線架構,它的指令系統和相關譯碼機制比那些采用微程序的復雜指令系統的計算機(CISC)簡單得多。這個簡化帶來三個優點:

①指令的高吞吐率
②極其有效的實時中斷響應
③小的高性價比的處理器宏單元
流水線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,后一條指令正在被譯碼,第三條指令同時被從存儲器中取指。

應用領域

  ARM的半導體合作伙伴都是基于ARM架構來設計、制造、打市場和銷售微處理器、專用集成電路(ASIC)和專用標準產品(ASSP)。各個不同廠商在 ARM技術的基礎上加上它們自己的技術和能力,利用ARM廣泛支持的架構生產出各種不同的產品。這些基于ARM技術的微處理器已經被廣泛應用于各種電子產品,特別是一些高端控制應用,例如汽車電子設備、移動電話、硬盤驅動器、調制解調器、工業控制、海量存儲、網絡通信、無線通信和各種消費娛樂電子產品。

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,而它們都使用一個公共的軟件結構,即在整個產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發的。

②ARM7TDMI是一種授權最廣泛的產品,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電話和硬盤驅動器。

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

④ARM9E-S是基于ARM9TDMI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,包括硬盤驅動(HDD)、數字視頻盤DVD、移動電話、自動和工業控制領域。

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、哈佛總線、Thumb擴展功能和對所有編程模型狀態的全調試訪問。主要應用于下一代手持通信產品和數碼電子消費產品以及多媒體應用。

⑥可組合內核:ARM已經開發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,但是這會給特定的用戶帶來更多的靈活性。

完整的微處理器內核

①ARM720T、ARM920T和ARM1020T是低價格、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、寫入緩沖器和JTAG接口,并為高級OS平臺作了優化,可應用于手持計算裝置、數據通信和消費電子多媒體產品。

②ARM740T、ARM940T、ARM946E-S和ARM966E-S是低價格低功耗高性能的通用微處理器,為嵌入式控制作了優化,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

①ARM10系列:300MHz ARM10處理器系列是有矢量浮點(VFP)大容量片上指令Cache和數據Cache、帶有支持虛擬存儲頁操作命令的MMU、寫入緩沖器和新型高帶寬先進的微控制器總線結構(AMBA)SOC總線接口。
ARM10解決方案可以支持Win CE和EPOC32,并將提供低系統價格、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公司聯合開發、并授權Intel公司制造生產,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的機會

  由于投資和風險巨大、缺少自主的核心技術,雖然在中低端微處理器方面有了一定進展,但在設計和制造高性能處理器芯片方面一直是我國TI業的“芯病”痛,要達到當代處理器的國際先進水平,還難以在短期內有大的突破。即使已經具有設計和制造先進微處理器的能力,還一時無法成為市場的主流產品,不會改變世界計算機市場的格局。而ARM體系結構的產品,已經幾乎成為嵌入式RISC芯片的壟斷機種,通過購買合法授權就可以得到相關的設計和制造技術,在主流芯片的設計和制造中占有一席之地,相對風險要小得多。ARM公司也非常看好中國的市場,已開始與中興公司合作,并十分希望與國內更多的企業合作,應該說雙方只要抓住機會就很可能實現雙贏。


關鍵詞: 嵌入式 ARM

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