ARM内核的种类及特点分析

在高性能的32位嵌入式片上系统（SoC）设计中，几乎都是以ARM作为处理器核。ARM核已是现在嵌入式SoC系统芯片的核心，也是现代嵌入式系统发展的方向。ARM处理器核作为基本处理单元，根据发展需求还集成了与处理器核密切相关的功能模块，如Cache存储器和存储器管理MMU硬件，这些基于微处理器核并集成这些IP（Intelligence Property）核的标准配置的ARM核都具有基本处理器的配置，这些内核称为处理器核。基于ARM的处理器核简称ARM核，核并不是芯片，ARM核与其他部件如RAM、ROM、片内外设组合在一起才能构成现实的芯片，例如LPC2290、S3C44B0X、AT91FR40162分别是Philips（荷兰飞利浦公司）、Samsung（韩国三星公司）、Atmel（美国爱特梅尔公司）基于ARM公司ARM7TDMI核的嵌入式微处理器芯片。

ARM公司开发了很多系列的ARM处理器核，在表3-1中可以看出，目前最新的系列是ARM Cortex系列，下面将对ARM各内核做简单介绍。

ARM核的命名规则及含义如图3-2所示。

图3-2 ARM核的命名规则及含义

1.ARM7系列

ARM7体系结构具有三级流水、空间统一的指令与数据Cache、平均功耗为0.6mW/MHz、时钟速度为66MHz、每条指令平均执行1.9个时钟周期等特性。其中的ARM710、ARM720和ARM740为内带Cache的ARM核。ARM7指令集同Thumb指令集扩展组合在一起，可以减少内存容量和系统成本，同时，它还利用嵌入式ICE调试技术来简化系统设计，并用一个DSP增强扩展来改进性能。ARM7体系结构是小型、快速、低能耗、集成式的RISC内核结构。该产品的典型用途是数字蜂窝电话和硬盘驱动器等，目前主流的ARM7内核是ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM7EJ-S、ARM720T。现在市场上用得最多的ARM7处理器有思智浦公司的LPC2000系列微控制器、Samsung公司的S3C44B0X与S3C4510处理器、Atmel公司的AT91FR40162系列处理器、Cirrus公司的EP73 xx系列等。

ARM7系列广泛应用于多媒体和嵌入式设备，包括互联网设备、网络和调制解调器设备，以及移动电话、PDA等无线设备。

2.ARM9E系列

ARM9处理器采用ARMV4T（哈佛）体系结构。这种体系结构由于程序和数据存储器在两个分开的物理空间中，因而取指和执行能完全重叠。ARM9采用五级流水处理及分离的Cache结构，平均功耗为0.7mW/MHz。时钟速度为120～200MHz，每条指令平均执行1.5个时钟周期。与ARM7处理器系列相似，其中的ARM920、ARM940和ARM9E处理器均为含有Cache的CPU核，性能为132MIPS（120MHz时钟，3.3V供电）或220MIPS（200MHz时钟）。ARM9处理器同时也配备Thumb指令扩展、调试和Harvard总线。在生产工艺相同的情况下，性能是ARM7TDMI处理器的两倍之多。常用于无线设备、仪器仪表、联网设备、机顶盒设备、高端打印机及数码相机应用中。ARM9E内核是在ARM9内核的基础上增加了紧密耦合存储器TCM及DSP部分。目前主流的ARM9内核是ARM920T、ARM922T、ARM940。相关的处理器芯片有Samsung公司的S3C2510、Cirrus公司的EP93xx系列等。主流的ARM9E内核是ARM926EJ-S、ARM946E-S、ARM966E-S等。

3.ARM10系列

ARM10E处理器采用ARMVST体系结构，可以分为六级流水处理，采用指令与数据分离的Cache结构，平均功耗为1000mW，时钟速度为300MHz，每条指令平均执行1.2个时钟周期。ARM10TDMI与所有ARM核在二进制级代码中兼容，内带高速32×16MAC，预留DSP协处理器接口。其中的VFP10（向量浮点单元）为七级流水结构。其中的ARM1020T处理器则是由ARMl0TDMI、32KB指令、数据Caches及MMU部分构成的。其系统时钟高达300MHz时钟，指令Cache和数据Cache分别为32KB，数据宽度为64位，能够支持多种商用操作系统，适用于下一代高性能手持式互联网设备及数字式消费类应用。主流的ARM10内核是ARM1020E、ARM1022E、ARM1026EJ-S等。

该系列包括ARM1020E和ARM1020E处理器核，其核心在于使用向量浮点（VFP）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。可以用于视频游戏机和高性能打印机等场合。(www.xing528.com)

4.SecureCore系列

SecureCore系列处理器提供了基于高性能的32位RISC技术的安全解决方案，该系列处理器具有体积小、功耗低、代码密度大和性能高等特点。另外最为特别的就是该系列处理器提供了安全解决方案的支持。采用软内核技术，以提供最大限度的灵活性，以及防止外部对其进行扫描探测，提供面向智能卡的和低成本的存储保护单元MPU，可以灵活地集成用户自己的安全特性和其他的协处理器，目前包括有SC100、SC110、SC200、SC210等4种产品。

5.StrongARM系列和XScale系列

StrongARM处理器采用ARMV4T的五级流水体系结构。目前有SA110、SA1100、SA1110等3个版本以及Intel公司的基于ARMv5TE体系结构的XScale PXA27x系列处理器，与Strong-ARM相比增加了I/D Cache，并且加入了部分DSP功能，更适合于移动多媒体应用。2006年，Intel公司将XScale处理器出售给了Marvell公司。

6.ARM11处理器

ARM11处理器系列可以在使用130nm工艺技术、小至2.2mm²芯片面积和低至0.24mW/MHz的前提下达到高达500MHz的性能表现。ARM11处理器系列以众多消费产品市场为目标，推出了许多新的技术，包括针对媒体处理的SIMD，用以提高安全性能的TrustZone技术，智能能源管理（IEM），以及需要非常高的、可升级的超过2600 Dhrystone2.1 MIPS性能的系统多处理技术。主要的ARM11处理器有ARM1136JF-S、ARM1156T2F-S、ARM1176JZF-S、ARM11 MCORE等多种。

7.ARM Cortex系列处理器

ARM Cortex系列处理器是基于ARMv7架构，又分为Cortex-M、Cortex-R和Cortex-A 3类，ARM Cortex系列的3款产品全都集成了Thumb-2指令集，可满足各种不同的日益增长的市场需求。ARM Cortex系列的3款处理器瞄准的领域如下：

1）ARM Cortex-A系列：针对复杂操作系统以及用户应用设计的应用处理器；

2）ARM Cortex-R系列：实时系统专用嵌入式处理器；

3）ARM Cortex-M系列：针对微控制器和低成本应用专门优化的深嵌入式处理器。

Cortex-M3是首款基于ARMV7-M架构的处理器，是专门瞄准对功耗和成本敏感的嵌入式应用实现高性能而设计的，它大大简化了可编程的复杂性，使ARM架构成为各种应用方案（即使是最简单的方案）的上佳选择。