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转:ARMv7的Cortex系列微处理器技能特点  

2009-11-10 23:04:15|  分类: develop-arm/ |  标签: |举报 |字号 订阅

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摘要 ARMv7是目前ARM处理器体系结构的最高版本。本文介绍了基于ARMv7的最新ARM微处理器Cortex系列,描述了该系列处理器的技能 细节,同时重点论述了Cortex-R、Cortex-A、Cortex-M系列处理器的技能 特点。最后,对不同系列处理器的使用 领域作了进一步的阐述。
关键词 ARMv7 体系结构 Cortex-M Cortex-R Cortex-A


引 言
随着嵌入式技能 使用 领域的不断扩展,对嵌入式系统的要求越来越高,而作为嵌入式系统核心的微处理器也面临日益严竣的挑战。ARM公司从成立以来,一直以知识产权 (IP,Intelligence Property)提供者的身份出售知识产权,在32位RISC CPU开发领域中不断取得突破,其设计的微处理器结构已经从v3发展到现在的v7。Cortex系列处理器是基于ARMv7架构的,分为Cortcx- M、Cortex-R和Cortex-A三类。ARM系列微处理器的核心及体系结构如表l所列。

1 ARM Correx处理器技能 特点
ARMv7架构是在ARMv6架构的基础上诞生的。该架构采用了Thumb-2技能 ,它是在ARM的Thumb代码压缩技能 的基础上发展起来的,并且保持了对现存ARM处理 方案的完整的代码兼容性。Thumb-2技能 比纯32位代码少运用 31%的内存,减小了系统开销,同时能够提供比已有的基于Thumb技能 的处理 方案高出38%的性能。ARMv7架构还采用丁NEON技能 ,将DSP和媒体处理能力提高了近4倍。并支持改良的浮点运算,满足下一代3D图形、游戏物理使用 以及传统嵌入式控制使用 的需求。此外,ARMv7还支持改良的运行环境,以迎合不断添加 的JIT(Just In Time)和DAC(DynamicAdaptlve Compilation)技能 的运用 。
在与早期的ARM处理器软件兼容性方而,ARMv7架构在设计时充分考虑到了。ARM Cortex-M系列支持Thumb-2指令集(Thumb指令集的扩展集),可以执行所有已存的为早期处理器编写的代码。通过一个前向的转换方式,为 ARM Cortex-M系列处理器所写的用户代码可以与ARM Cortex-R系列微处理器完全兼容。ARMCortex-M系列系统代码(如实时操作系统)可以很容易地移植到基于ARMCortex-R系列的系统 上。ARMCortex-A和Cortex-R系列处理器还支持ARM 32位指令集,向后完全兼容早期的ARM处理器,包括从1995年揭晓 的ARM7TDMI处理器到2002年揭晓 的ARMll处理器系列。图1为v5~v7架构的处理器技能 比较。由于使用 领域的不同,基于v7架构的Cortex处理器系列所采用的技能 也不相同。

    在命名方式上,基于ARMv7架构的ARM处理器已经不再延用过去的数字命名方式,而是冠以Cortex的代呼。基于v7A的称为“Cortex-A系州”,基于v7R的称为“Cortex-R系列”,基于v7M的称为“Cortex-M3”。

2 ARM CorteX-M3处理器技能 特点
    ARM Cortex-M3处理器是为存储器和处理器的尺寸对产品成本影响极大的各种使用 专门开发没计的,其结构如图2所示。它整合了多种技能 ,减少运用 内存,并在极小的RISC内核上提供低功耗和高性能,可实现由以往的代码向32位微控制器的高速 移植。ARM Cortex-M3处理器是运用 最少门数的ARM CPU,相对于过去的设计大大减小了芯片面积,可减小装置的体积或采用更低成本的工艺执行 生产,仅33000门的内核性能可达l,2DMIPS/MHz。此外,基本系统外设还具备高度集成化特点,集成了许多紧耦合系统外设,合理运用 了芯片空间,使系统满足下一代产品的控制需求。
ARM Cortex-M3处理器结合了执行Thumb-2指令的32位哈佛微体系结构和系统外设,包括Nested Vectored Interrupt Controller和Arbiter总线。该技能 方案在测试和实例使用 中表现出较高的性能:在台机电180 nm工艺下,芯片性能达1.2 DMIPS/MHz,时钟频率高达l00 MHz。Cortex-M3处理器还实现了Tail-Chaining中断技能 。该技能 是一项完全基于硬件的中断处理技能 ,最多可减少12个时钟周期数,在实际使用 中可减少70%中断;推出了新的单线调试技能 ,防止 运用 多引脚执行 JTAG调试,并彻底 支持RealVicw编译器和RealView调试产品。Realview工具向设计者提供模拟、建立 虚拟模型、编译软件、调试、验证和测试基于ARMv7架构的系统等功能。
为微控制器使用 而开发的Cortex-M3拥有以下性能:
◇实现单周期Flash使用 最优化;
◇准确高速 地中断处理。永不超过12周期,仅6周期tail-chaining(末尾连锁);
◇有低功耗时钟门控(Clock Gating)的3种睡眠模式;
◇单周期乘法和乘法累加指令;
◇ARM Thumb-2混合的16/32位固有指令集,无模式转换;
◇包括数据观察点和Flash补丁在内的高级调试功能;
◇原子位操作,在一个单一指令中读取/修改/编写;
◇1.25DMIPS/MHz(与0.9DMIPS/MHz的ARM7和1.1DMIPS/MHz的ARM9相比)。

3 ARM Cortex-R处理器技能 特点
    ARM Cortex-R系列处理器目前包括ARM CortexR4和ARM Cortex-R4F两个型号,主要适用于实时系统的嵌入式处理器。
3.1 ARM Cortex-R4处理器技能 特点
Cortex-R4处理器结构如图3所示。该处理器支持手机、硬盘、打印机及汽车电子设计,能协助新一代嵌入式产品高速 执行各种复杂的控制算法与实时工作的运算;可通过内存保卫 单元(MPU,Memory Protection Unit)、高速缓存以及紧密耦合内存(TCM,Tightly Coupled Mennory)让处理器针对各种不同的嵌入式使用 执行 最佳化调整,且不影响基本的ARM指令集兼容性。这种设计能够在延用原有程序代码的情况下,降低系统的成本与复杂度,同时其紧密耦合内存功能也可以 提供更小的规格及更高效率的整合,并带来高速 的响应时闻。

Cortex-R4处理器采用ARMv7体系结构,让它能与现有的程序维持完全的回溯兼容性,能支持现今建立在全球各地数十亿的系统;并已针对 Thumb-2指令执行 最佳化设计。此项特征 带来很多的利益,其中包括:更低的时钟速度所带来的省电效益;更高的性能将各种多功能特色带入移动电话与汽车产品的设计;更复杂的算法支持更高性能的数码 影像与内建硬盘的系统。运用Thumb-2指令集,加上RealView开发套件,使芯片内部存储器的容量最多得以降低30%,大幅降低系统成本,其速度 比在ARM9tt6E-S处理器所运用 的Thumb指令集高出40%。由于存储器在芯片中的占用空间愈来愈多,因此这项设计将大幅节省芯片容量,让芯片制造商运用这款处理器开发各种 SoC(System on a Chip)器件。
相比于前几代的处理器,Cortex-R4处理器高效率的设计方案,使其能以更低的时钟达到更高的性能;经过最佳化设计的Artisan Mctro内存,则进一步降低嵌入式系统的体积与成本。处理器搭载一个先进的微架构,具备双指令发送功能,采用90nm工艺并搭配Artisan Advantage程序库的组件,底面积不到lmm2,耗电最低于0.27mW/MHz,并能提供超过600 DMIPS的性能。
Cortex-R4处理器在各种安全使用 上加入容错功能和内存保卫 机制,支持最新版OSEK实时操作系统;支持RealView Develop系列软件开发工具、RealView Create系列ESL工具与模块,以及Core Sight除错与追踪技能 ,协助设计者快速 开发各种嵌入式系统。

3 ARM Cortex-R处理器技能 特点
    ARM Cortex-R系列处理器目前包括ARM CortexR4和ARM Cortex-R4F两个型号,主要适用于实时系统的嵌入式处理器。
3.1 ARM Cortex-R4处理器技能 特点
Cortex-R4处理器结构如图3所示。该处理器支持手机、硬盘、打印机及汽车电子设计,能协助新一代嵌入式产品高速 执行各种复杂的控制算法与实时工作的运算;可通过内存保卫 单元(MPU,Memory Protection Unit)、高速缓存以及紧密耦合内存(TCM,Tightly Coupled Mennory)让处理器针对各种不同的嵌入式使用 执行 最佳化调整,且不影响基本的ARM指令集兼容性。这种设计能够在延用原有程序代码的情况下,降低系统的成本与复杂度,同时其紧密耦合内存功能也可以 提供更小的规格及更高效率的整合,并带来高速 的响应时闻。

Cortex-R4处理器采用ARMv7体系结构,让它能与现有的程序维持完全的回溯兼容性,能支持现今建立在全球各地数十亿的系统;并已针对 Thumb-2指令执行 最佳化设计。此项特征 带来很多的利益,其中包括:更低的时钟速度所带来的省电效益;更高的性能将各种多功能特色带入移动电话与汽车产品的设计;更复杂的算法支持更高性能的数码 影像与内建硬盘的系统。运用Thumb-2指令集,加上RealView开发套件,使芯片内部存储器的容量最多得以降低30%,大幅降低系统成本,其速度 比在ARM9tt6E-S处理器所运用 的Thumb指令集高出40%。由于存储器在芯片中的占用空间愈来愈多,因此这项设计将大幅节省芯片容量,让芯片制造商运用这款处理器开发各种 SoC(System on a Chip)器件。
相比于前几代的处理器,Cortex-R4处理器高效率的设计方案,使其能以更低的时钟达到更高的性能;经过最佳化设计的Artisan Mctro内存,则进一步降低嵌入式系统的体积与成本。处理器搭载一个先进的微架构,具备双指令发送功能,采用90nm工艺并搭配Artisan Advantage程序库的组件,底面积不到lmm2,耗电最低于0.27mW/MHz,并能提供超过600 DMIPS的性能。
Cortex-R4处理器在各种安全使用 上加入容错功能和内存保卫 机制,支持最新版OSEK实时操作系统;支持RealView Develop系列软件开发工具、RealView Create系列ESL工具与模块,以及Core Sight除错与追踪技能 ,协助设计者快速 开发各种嵌入式系统。

3 ARM Cortex-R处理器技能 特点
    ARM Cortex-R系列处理器目前包括ARM CortexR4和ARM Cortex-R4F两个型号,主要适用于实时系统的嵌入式处理器。
3.1 ARM Cortex-R4处理器技能 特点
Cortex-R4处理器结构如图3所示。该处理器支持手机、硬盘、打印机及汽车电子设计,能协助新一代嵌入式产品高速 执行各种复杂的控制算法与实时工作的运算;可通过内存保卫 单元(MPU,Memory Protection Unit)、高速缓存以及紧密耦合内存(TCM,Tightly Coupled Mennory)让处理器针对各种不同的嵌入式使用 执行 最佳化调整,且不影响基本的ARM指令集兼容性。这种设计能够在延用原有程序代码的情况下,降低系统的成本与复杂度,同时其紧密耦合内存功能也可以 提供更小的规格及更高效率的整合,并带来高速 的响应时闻。

Cortex-R4处理器采用ARMv7体系结构,让它能与现有的程序维持完全的回溯兼容性,能支持现今建立在全球各地数十亿的系统;并已针对 Thumb-2指令执行 最佳化设计。此项特征 带来很多的利益,其中包括:更低的时钟速度所带来的省电效益;更高的性能将各种多功能特色带入移动电话与汽车产品的设计;更复杂的算法支持更高性能的数码 影像与内建硬盘的系统。运用Thumb-2指令集,加上RealView开发套件,使芯片内部存储器的容量最多得以降低30%,大幅降低系统成本,其速度 比在ARM9tt6E-S处理器所运用 的Thumb指令集高出40%。由于存储器在芯片中的占用空间愈来愈多,因此这项设计将大幅节省芯片容量,让芯片制造商运用这款处理器开发各种 SoC(System on a Chip)器件。
相比于前几代的处理器,Cortex-R4处理器高效率的设计方案,使其能以更低的时钟达到更高的性能;经过最佳化设计的Artisan Mctro内存,则进一步降低嵌入式系统的体积与成本。处理器搭载一个先进的微架构,具备双指令发送功能,采用90nm工艺并搭配Artisan Advantage程序库的组件,底面积不到lmm2,耗电最低于0.27mW/MHz,并能提供超过600 DMIPS的性能。
Cortex-R4处理器在各种安全使用 上加入容错功能和内存保卫 机制,支持最新版OSEK实时操作系统;支持RealView Develop系列软件开发工具、RealView Create系列ESL工具与模块,以及Core Sight除错与追踪技能 ,协助设计者快速 开发各种嵌入式系统。
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