第九单元 嵌入式应用 9.2 ARM处理器

        ARM处理器是什么?
       ARM是Advanced RISC Machines的首字母缩略语。这种处理器1984年起源于英国。起初，ARM代表Acorn RISC Machine。第一批可靠的ARM系统包括Acorn BBC Micro、Masters和Archimedes。早期ARM系统主要应用于英国教育系统，因此在英国之外并未广泛使用和为人所知。1987年，ARM成为第一个商用RISC处理器。

       RISC概述

       RISC代表着“精简指令集计算机”（Reduced Instruction Set Computer），与之相反的是“复杂指令集计算机”（CISC，Complex Instruction Set Computer）。

       1. RISC比CISC简易:

       2. RISC 结构:

       3.RISC的优点

       4. RISC的缺点

        ARM特别在哪里?

       在促销词里，是这么描述ARM的ARM结构拥有最佳的性耗比和性价比、最小的芯片尺寸，拥有一系列能够低功耗、低成本完成所需计算任务的高度灵活、高度定制的处理器”。

        这一切到底意味着什么呢？“硬件设计简单”加上“功能移除”（例如，将全积乘法器作为可选件）以及“RISC流水线结构”使得ARM具备很小的芯片尺寸。“芯片尺寸小”就意味着“成本低”，因为成本的大部分是和芯片尺寸成正比的。“芯片尺寸小”加上“简单的流水线结构”还为ARM带来了其它的重要收益。设计者能够使用较少的硬件，并因此降低了处理器的功耗。

       小尺寸、低成本、低功耗使得ARM处理器成为当今蜂窝电话、个人数字助理等嵌入式系统中应用最广泛的处理器。当然，性能、成本和尺寸之间存在着制衡关系。而ARM却将其处理的很出色。其芯片尺寸很小，性能（虽然并非极强）也足以完成常见任务，最重要的是其低廉的价格和很低的功耗。

        不过，ARM如何做到以低成本实现高性能、低功耗和小尺寸的呢？一个重要因素是ARM采用了5级流水线技术。除此之外，还有如下原因。

        ARM制造者采用了称为Thumb的指令集，该指令集将32位指令压缩成16位。此法使程序编写比采用标准RISC指令集要紧凑得多，而且还简化了硬件。

        采用Thumb指令集的处理器也允许运行32位指令。其实，16位指令和32位指令可以混用，硬件可以同时完成解码和解压，从而实现强大的计算能力。

        成本的降低靠的是一种可配置简易结构。“尺寸小”意味着硅使用量少，单片硅晶的芯片产量高。简单的流水线、简单的指令集易于学习、优化、构建，也降低了这类成本。

        ARM商业模式

        ARM公司并不生产，也不出售CPU芯片，而是向其它公司提供它们感兴趣的处理器结构（图1）。ARM授权条款的种类有很多，价格和授权内容都不同。对于全体获许可人，ARM公司提供ARM内核的可集成硬件描述以及完整的软件开发工具（包括编译器、调试器和初学者开发工具SDK）、销售包含ARM CPU芯片的权利。对于非生产（fabless）获许可人,通常只对获取已验证的、立即可投入生产的IP核感兴趣，希望将ARM内核集成到它们自己的芯片设计中。对于这些客户，ARM公司提供所选ARM内核的门级网表描述以及精简仿真模型、测试程序以辅助设计集成和验证的客户，包括集成器生产商（IDM）和芯片生产商，选择获取“可综合RTL（verilog）形式”的处理器IP利用可综合RTL（寄有器传输级），客户拥有了进行结构级优化和扩展的能力。这将允许设计者实现特殊设计目标；否则用不可修改网表（高速时钟、极低功耗、指令集扩展等）这是不可能的。尽管ARM公司不允许获许可方再次出售ARM结构设计，但获许可方可自由出售产品（包括芯片、评估板、完整系统）。商业芯片制造商是特殊情况：它们不仅可以允许销售包含ARM内核的芯片，而且一般有权为其它客户重新生产ARM核。