下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
作为业界领先的32位嵌入式RISC微处理器，ARM微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域。
作为32位的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。
目前已有超过90%的无线通信设备采用了ARM技术，ARM以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。
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进行了优化，获得广泛支持，也对DSP的应用领域提出了挑战。
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。
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。
之前，ARM系以其低功耗和可定制特性专注于嵌入式应用，占据了手机市场90%的份额，而x86系则凭借Wintel模式瓜分了笔记本电脑和台式机的市场，可谓井水不犯河水。没有什么比“Intel Inside”更能体现Intel的骄傲，变化万千的计算机里面总有一颗Intel处理器的芯。Intel与Microsoft组成的Wintel联盟得以统治PC产业20年，起因于它成功占据了IBM兼容体系的核心位置，经过微软与英特尔密切配合下的一次次升级换代，引领了该体系的发展。但是英国的IP核供应商ARM公司可以自豪地说自己“Inside Intel”，虽然一直低调地隐藏在半导体巨人背后，但是现在ARM公司试图走到台前，以一种更富进攻性的姿态巩固自己的优势。现在，ARM以Cortex向上扩展，而Intel以Atom向下扩展，双方终于在上网本市场撞到了一起。总裁Tudor Brown语出惊人，“随着3G时代真正来临，固定上网，仍会基于英特尔；但移动上网，那是ARM的天下。”依靠产业联盟，“目前全球所有的电子产品当中，大约有1/4的数字产品中有ARM技术存在。2008年ARM处理器出货量为40亿颗，是英特尔的20倍。”
ARM微处理器目前主要有8个系列可供选择，包括Intel提供的基于ARM处理器的Xscale和StrongARM系列，每一个系列的ARM微处理器都有自己的特点和应用领域。
ARM7微处理器系列为低功耗的32位RISC处理器，适合用于对价位和功耗要求敏感的消费类应用，包含ARM720T、ARM7EJ-S、ARM7TDMI和ARM7TDMI-S四种类型。1994年ARM7系列被应用于不同的设计中，但是全新的和更多的需求则采用Cortex-M0和Cortex-M3来实现。32位处理器 ARM Cortex™-M3 专用于高性能、低功耗的板级应用，包括微控制器、汽车系统、自动控制系统和无线网络。ARM Cortex™-M0 processor 是目前可提供的尺寸最小、功耗最低32位微处理器，以8位价格实现32位的性能，跨越16位处理器。
该系列处理器采用3级流水线ARM核，代码密度高并兼容16位的Thumb指令集，对包括Windows CE、Symbian OS、Linux、Palm OS等在内的操作系统广泛支持。同时指令系统与ARM9系列、ARM9E系列和ARM10E系列兼容，便于用户产品的升级换代。主频最高可达130MIPS，高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂应用。
ARM7微处理器系列已广泛应用于工业控制、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领域。
ARM9微处理器系列包含ARM920T和ARM922T两种类型，以ARM9TDMI为原型发展而来，支持16位Thumb指令集，代码密度可以提高35%。其中ARM920T内置8K指令和数据Cache，ARM922T内置18K的双Cache；均内置全性能的MMU和高速AMBA总线接口。AMBA片上总线是一个开放标准，已成为SoC构建和IP库开发的事实标准。AMBA先进的高性能总线AHB接口现由所有新的ARM核支持，提供开发全综合设计系统。
ARM9微处理器系列在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能，支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集，采用5级整数流水线，提供1.1MIPS/MHz的哈佛结构，支持32位的高速AMBA总线接口；提供全性能的内存管理单元（MMU），支持Windows CE、Linux、Palm OS等多种嵌入式操作系统。
ARM9微处理器系列的主要应用领域有：
◆ 新一代手持设备，包括可视电话、便携通信设备、PDA；
◆ 数字消费类产品，包括机顶盒、家庭网关、游戏机、MP3、MPEG4；
◆ 图像处理设备，包括高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。
ARM9E微处理器系列包含ARM926EJ-S、ARM946E-S、ARM966E-S和ARM968E-S四种类型。ARM9E微处理器系列使用单一的处理器内核提供微控制器、DSP、Java应用系统的解决方案，极大地减少了芯片的面积和系统的复杂程度。ARM9E微处理器系列在ARM9系列的基础上进一步支持VFP9浮点协处理器，主频最高可达300MIPS。ARM9E微处理器系列提供增强的DSP处理能力，很适合那些需要同时使用DSP和微控制器的应用场合。
ARM10E微处理器系列包含ARM1020E、ARM1022E 和ARM1026EJ-S等类型。ARM10E 微处理器系列具有高性能、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微处理器系列采用了先进的节能方式，使其功耗极低。
ARM10E的核心在于采用6级整数流水线，指令执行效率更高，并使用向量浮点单元VFP10提供高性能的浮点解决方案，从而极大地提高了处理器的整型和浮点运算性能，为用户的图形引擎应用夯实基础。
ARM11微处理器系列包括ARM1136J(F)-S、ARM1156T2(F)-S和ARM1176JZ(F)-S类型。ARM11处理器的最高速度可以达到1GHz水平，与目前采用ARM9和ARM10内核的处理器最高速度只能达到400MHz的水平相比，ARM11可谓取得了巨大的技术进步。
ARM11着重提高了多媒体处理性能，它采用ARMv6指令集技术，使得ARM11处理器在处理流媒体和Java程序时的性能表现更为出色。ARM11具有更低的耗电量，可以满足下一代手持设备对电池供应时间的要求。ARM11处理器支持目前得到广泛应用的各种嵌入式操作系统，如Windows CE、Palm OS、Linux及Symbian OS等，而采用ARM11内核的嵌入式处理器也将是基于这些操作系统的手持设备的最佳选择。ARM11处理器将不仅被用在3G手机及PDA中，还将在其他要求紧凑高效的嵌入式设备中（如多媒体无线通信设备、家庭网关及其他网络产品）一显身手，其强大的性能完全可以满足用户对语音和高速网络连接的需求。
ARM于2004年推出了全新Cortex架构系列，为嵌入式市场提供了一个三管齐下的解决方案。首先，Cortex-A系列提供高性能应用处理器；其次，Cortex-R系列专门针对实时、深度嵌入式解决方案；再次，Cortex-M系列专注于低成本嵌入式微控制器。目前有Cortex-M0、Cortex-M1、Cortex-M3、Cortex-A8、Cortex-A9、Cortex-R4和Cortex-R4F等多种类型。
Cortex-M系列产品规划如图1.3所示，Cortex-M0针对FPGA应用，Cortex-M1用于替代低成本MCU，而Cortex-M3则主要为了占领高性能MCU市场。
图1.3 Cortex-M系列产品规划
Cortex-M0处理器是目前市场上尺寸最小、功耗最低的32位ARM处理器。这款处理器功耗极低、门数少、代码资源占用少，是超低功耗MCU和混合信号应用的理想之选，它可以16位的资源占用来提供32位的性能和效率。开发该处理器是为了解决对性能效率的需求，在超低成本MCU及模拟混合信号和SoC应用中使性能达到0.9DMIPS/MHz，同时与功能丰富的Cortex-M3处理器保持工具和二进制兼容。在180超低漏电（ULL）工艺上使用ARM物理IP来实现时，Cortex-M0处理器在不到12K门数的区域中仅有85µW/MHz的功耗，这得益于ARM作为低功耗技术领袖和超低功耗设备制作的关键支持者所拥有的无与伦比的专业技术。32位性能和效率由于对更低成本、更高连接性（如USB、GPS、蓝牙、ZigBee和新接口，包括加速度计和触摸屏）的便携式产品的需求，导致需要将模拟设备与对数据进行预处理和通信的数字功能更为紧密地集成到一起。32位Cortex-M0处理器的低成本和低功耗优势，加上用于最大化代码密度的ARM Thumb®技术，使其成为这些任务的完美解决方案。
Cortex-M3已经集成到多家芯片供应商的MCU系列中，还有数家芯片供应商准备采用这款产品，该产品时常被当做颇受欢迎的ARM7TDMI-S的继承者来宣传；尽管二者的架构有很大差别，从一般性比较，Cortex-M3的性能更为优越。它的速度比ARM7快1/3，功耗低3/4，并且能实现更小的芯片面积，利于将更多功能整合在更小的芯片尺寸中。Cortex-M3是一个32位的核，在传统的单片机领域中，有一些不同于通用32位CPU应用的要求。Cortex-M3完全基于硬件进行中断处理，最多可减少12个时钟周期数，在实际应用中可减少70%中断。针对单片机调试工具非常便宜的特点，Cortex-M3采用了新型的单线调试技术，专门拿出一个引脚来做调试，从而节约了大笔的调试工具费用。同时，Cortex-M3中还集成了大部分存储器控制器，这样工程师可以直接在MCU外连接Flash，降低了设计难度和应用障碍。ARM Cortex-M3处理器结合了多种突破性技术，令芯片供应商提供超低费用的芯片，仅33 000门的内核性能即可达1.2DMIPS/MHz。该处理器还集成了许多紧耦合系统外设，令系统能满足下一代产品的控制需求。总体而言，它所整合的增强功能有助于其在需要确定性系统行为的成本敏感应用程序中为自己建立面向嵌入式系统的适用性。Cortex-M3微处理器适用于高性能、极低成本需求的嵌入式应用中，如微控制器、汽车系统、大型家用电器、网络装置等。与原来的通用型ARM CPU不同，Cortex-M3主要针对单片机领域。
ARM Cortex-A8微处理器是ARM Cortex新系列中第一款采用ARMv7架构中所有新技术的ARM处理器。Cortex-A8处理器是ARM公司目前为止开发的速度最快、最节能的微处理器。Cortex-A8处理器是灵活的低功耗、高性能处理领域的巨大跃迁。Cortex-A8处理器最高能达到2 000MIPS，使它成为运行多通道视频、音频和游戏应用的、要求越来越高的消费产品的最佳选择。由于能在350MHz下解码VGA H.264视频，因此可提供下一代无线和消费产品所需的媒体处理功能。在65nm技术条件下功耗小于300mW，第一次为低费用、高容量的产品带来了台式机级别的性能。其全新的NEON技术为面向媒体处理的灵活软件解决方案提供了一个平台。Thumb-2指令提供代码密度并保持标准ARM代码的性能；JazelleRCT技术也使运行时编译器从中受益。TrustZone技术为敏感数据和DRM提供了安全性。许多重要的微架构新功能在Cortex-A8处理器中首次亮相，它们包括双发射、顺序超标量流水线、集成的L2缓存及深度远远超出以前ARM处理器的流水线。为了满足其出众的性能目标并保持ARM一贯的低功率预算，已开发新的流程用于实现定制技术的效率，同时保持自动化流程的灵活性。该处理器具有出色的性能和效率，适用于各种移动和消费类应用，其中包括移动电话、机顶盒、游戏控制台和汽车导航/娱乐系统。
Cortex-A9微架构提供两种选项：可扩展的Cortex-A9 MPCore多核处理器和较为传统的Cortex-A9单核处理器。可扩展的多核处理器和单核处理器（两款不同的独立产品）支持16、32或64KB四路组相联一级缓存的配置，具有无与伦比的灵活性，皆能达到特定应用和市场的要求。Cortex-A9和Cortex-A9 MPCore是ARM处理器家族中的两个新成员，旨在满足单核和多核处理器设计需求。两款产品采用了相同的微架构，整合了多种特色功能，使处理器核心和整个集成系统的架构功能、性能和功效得到了大幅提升。单核处理器比现有ARM11级设备提供了更好的性能和功效，不但增强了移动设计的功能，而且降低了功耗水平，延长了电池使用寿命。而在实现方面，这款处理器还具有出色的架构软件兼容性，能够在达到Cortex-A8级性能的前提下降低成本，从而扩大了相关软件投资的市场应用范围。而MPCore型处理器则拥有先进的电源管理功能，能够进一步降低功耗，达到并超过了日益增多的市场和应用对功耗的要求。除此之外，Cortex-A9 MPCore还拥有卓绝的性能可扩展性，将ARM处理器设计中浑然天成的功效特性奉献给了更多的市场领域。全部配套技术专门针对两款Cortex-A9处理器而设计，能够很好地满足特定应用和市场所要求的性能，尤其是无线、娱乐、成像及其他高端多媒体应用。
Cortex-R4处理器可通过MPU（Memory Protection Unit，内存保护单元）、高速缓存及TCM（Tightly Coupled Memory，紧密耦合内存）让处理器针对各种不同的嵌入式应用进行最佳化调整，且不会影响基本的ARM指令集兼容性，协助应用软件开发者与OEM厂商重复运用现有的软件投资。Cortex-R4处理器可支持新一代手机、硬盘、打印机及汽车电子设计，能协助新一代嵌入式产品快速执行各种复杂的控制算法与实时工作的运算。针对车用产品，Cortex-R4处理器也在各种安全应用上加入容错功能，以及内存保护机制，支持最新版OSEK实时操作系统。对于针对引擎管理系统开发的系统单芯片组件而言，这是相当重要的特色，因为这种管理系统必须在许多外围组件中实时运作。
Cortex-R4F处理器专门针对汽车市场的高级功能，包括对纠错码（ECC）存储器的支持、错误侦测向相互连接的扩展和一个任意合成的浮点单元（FPU）。Cortex-R4F处理器建立在Cortex-R4处理器的先进功能基础上。这些功能包括在合成过程中的可配置性，以通过高解析度的存储器保护单元、高速缓存存储器、高度搭配的存储器、DMA和调试设备使不同应用的处理器最优化。