[嵌入式系统-72]:ARM芯片选型基础

目录

一、ARM概述

1.1 ARM介绍

1.2 ARM芯片的特点

1.3 ARM芯片的商业模式

1.4 ARM的发展历史

二、ARM架构

2.1 ARM SOC芯片的架构

2.2 ARM核的架构

三、ARM核的架构演进

3.1 经典ARM处理器ARMx

3.2 嵌入式ARM处理器Cortex-Mx系列:微控制器

3.3 嵌入式ARM处理器Cortex-R系列:实时处理器

3.4 高性能应用ARM处理器Corex-A系列:应用处理器


一、ARM概述

[架构之路-17]:目标系统 - 硬件平台 - ARM CPU架构与系列选型_硬件平台选型方法-CSDN博客

1.1 ARM介绍

ARM(Advanced RISC Machines)是一家英国的半导体和软件设计公司,专注于设计低功耗、高性能的RISC(精简指令集计算机)处理器架构

ARM处理器架构在嵌入式系统、移动设备、网络设备和服务器等多个领域得到了广泛应用。特别是在移动设备领域,ARM架构几乎占据了绝对的主导地位,几乎所有的智能手机和平板电脑都采用基于ARM架构的处理器。

1.2 ARM芯片的特点

RM架构具有以下几个主要特点:

  1. 低功耗:ARM处理器采用了许多节能设计,如动态电源管理、指令集优化等,使其在运行过程中能够保持较低的功耗。

  2. 高性能:ARM处理器采用了精简指令集(RISC)设计,减少了指令的复杂性和执行时间,提高了处理器的性能。

  3. 可扩展性:ARM架构支持多种处理器核心和配置,可以根据不同的应用需求进行定制和优化。

  4. 广泛的生态系统:ARM架构得到了众多软件开发商、操作系统厂商和硬件制造商的支持,形成了庞大的生态系统,使得基于ARM架构的产品具有丰富的软件资源和良好的兼容性。

  5. 安全性:ARM架构注重安全性设计,提供了硬件级别的安全特性,如TrustZone技术,可以保护敏感数据和代码的安全。

ARM架构的处理器类型众多,包括Cortex-A、Cortex-R和Cortex-M等系列。其中,Cortex-A系列主要面向高性能应用,如智能手机、平板电脑等;Cortex-R系列主要面向实时控制应用,如汽车电子、工业自动化等;Cortex-M系列则主要面向低功耗应用,如物联网设备、智能家居等。

1.3 ARM芯片的商业模式

ARM芯片的商业模式主要基于其独特的设计和销售方式。

ARM公司本身并不直接生产芯片,而是将其处理器架构内核设计授权给其他半导体公司,如高通、三星、联发科(MediaTek)、华为海思等。这些合作伙伴会根据ARM的架构和设计进行芯片的生产和销售

ARM公司通过向合作伙伴收取技术授权费(license fee)和版税(ongoing royalties)来获得收入。技术授权费是合作伙伴在获得ARM架构和设计授权时需要支付的费用,而版税则是根据合作伙伴生产的芯片数量或销售额的一定比例收取的。

ARM的商业模式使得ARM公司能够保持其设计的灵活性和高效性,同时也促进了半导体行业的创新和竞争。由于ARM架构的低功耗、高性能和可扩展性等特点,越来越多的设备开始采用基于ARM架构的芯片,这也进一步推动了ARM公司的商业成功。

总的来说,ARM芯片的商业模式是一种基于IP(知识产权)授权的商业模式,通过向合作伙伴提供处理器架构和设计,收取技术授权费和版税来获得收入。这种商业模式不仅使得ARM公司能够保持其技术的领先地位,也为整个半导体行业带来了更多的创新和发展机会。

1.4 ARM的发展历史

ARM的发展历史可以追溯到1970年代末和1980年代初,当时克里斯·库里(Chris Curry)和赫尔曼·豪泽(Hermann Hauser)共同创立了剑桥处理器单元(Cambridge Processor Unit)有限公司,后更名为橡果电脑(Acorn Computer)有限公司。

在1980年代,ARM的前身Acorn Computer开始设计一款新的处理器架构,用于其个人电脑产品。这款处理器采用了精简指令集(RISC)设计,以提供高性能和低功耗的特性。

1985年,Acorn Computer成功开发出全球第一款商用RISC处理器,即ARM1。这款处理器的诞生标志着ARM架构的诞生,并为后续的ARM处理器发展奠定了基础。

然而,由于财务危机和其他问题,Acorn Computer在1990年决定将其处理器部门分割出来,成立了独立的Advanced RISC Machines(ARM)公司。ARM公司正式成立后,继续致力于RISC处理器的研发和推广。

在ARM公司的发展过程中,它不断推出新的处理器架构和核心,以满足不同领域的需求。例如,1991年,ARM推出了第一款嵌入式RISC处理器ARM6;1993年,发布了ARM7;1997年,发布了ARM9TDMI;2001年,发布了ARMv6架构;2002年,发布了ARM11微架构;2004年,发布了ARMv7架构的Cortex系列处理器,并推出了Cortex-M3和Cortex-A8等处理器。

随着移动互联网的兴起和智能手机市场的蓬勃发展,ARM架构的处理器在移动设备领域得到了广泛应用。目前,基于ARM架构的处理器已经成为智能手机、平板电脑等移动设备的主流选择之一。

除了移动设备领域外,ARM架构的处理器还在其他领域得到了广泛应用,如网络设备、嵌入式系统、汽车电子等。ARM公司通过不断的技术创新和优化,不断提高处理器的性能和功耗比,以满足不同领域的需求。

总的来说,ARM的发展历史是一个不断创新和优化的过程。通过不断推出新的处理器架构和核心,ARM公司不断推动着整个半导体行业的发展和进步。

二、ARM架构

2.1 ARM SOC芯片的架构

ARM SoC(System on a Chip)芯片架构是一种基于ARM处理器内核的系统级芯片设计。这种架构将ARM处理器内核与其他各种功能单元(如内存、外设接口、图形处理器等)集成在一个单一的芯片上,从而形成一个完整的系统。

ARM SoC芯片架构通常包含以下几个主要部分:

  1. ARM处理器内核:这是SoC的核心部分,负责执行程序的主要指令。ARM提供了多种不同系列的处理器内核,以满足不同应用的需求,如Cortex-A、Cortex-R和Cortex-M系列。
  2. 内存系统:包括RAM(随机存取存储器)和ROM(只读存储器)。RAM用于存储程序运行时所需的数据和变量,而ROM则用于存储程序代码和其他固定数据。
  3. 外设接口:用于连接SoC与外部设备,如摄像头、触摸屏、传感器等。这些接口可以是串行通信接口(如UART、SPI、I2C等),也可以是并行通信接口(如GPIO)。
  4. 图形处理器(GPU):负责处理图形相关的计算任务,如渲染图像、执行3D图形加速等。GPU在现代SoC中扮演着越来越重要的角色,特别是在移动设备和高性能计算领域。
  5. 其他功能单元:根据具体的应用需求,SoC可能还包含其他功能单元,如数字信号处理器(DSP)、安全处理器、电源管理单元等。

ARM SoC芯片架构的优势在于其高度的集成性和灵活性。通过将多个功能单元集成在一个单一的芯片上,SoC可以降低系统的复杂性和成本,并提高整体性能和能效比。此外,ARM SoC还具有良好的可扩展性和可定制性,可以根据不同的应用需求进行定制和优化。

基于ARM SoC芯片架构的处理器芯片,以其低功耗、高效能、高可靠性、成本优势等综合特性,广泛应用于手机、平板电脑、物联网终端设备等各类通信及电子产品领域,极大推动了人类社会的信息化和智能化进程。

2.2 ARM核的架构

ARM核的架构,也被称为ARM架构,最早被称为进阶精简指令集机器(Advanced RISC Machine),更早则称作Acorn RISC Machine。它是一个32位精简指令集(RISC)处理器架构,其设计理念在于通过精简指令集来降低指令的复杂性和长度,使得处理器能够更高效地执行指令。这种设计理念使得ARM芯片可以在低功耗和高性能之间取得平衡。

ARM核的架构主要由以下几部分组成:

  1. ARM内核:这是ARM架构的核心部分,主要由寄存器、指令集、总线、存储器映射规则、中断逻辑和调试组件等组成。ARM内核是由ARM公司设计并以销售方式授权给各个芯片厂商使用的,ARM公司本身并不生产芯片。
  2. 外设:这包括计时器、A/D转换器、存储器、I2C、UART、SPI、ROM等,这些外设由各个芯片厂商自己设计并与ARM内核衔接配套。不同的芯片厂商就有不同的外设,因此构成了数量和规格庞大的ARM芯片产业。

ARM架构的处理器类型众多,包括Cortex-A、Cortex-R和Cortex-M等系列,这些处理器广泛应用于嵌入式系统设计、移动设备、网络设备和服务器等多个领域。

此外,ARM架构还通过不断的技术创新和优化,推出了新的架构版本,如Armv8、Armv9等,以提供更好的性能和能效比。例如,基于全新Armv9.2架构的Arm Cortex-X4 CPU,其性能相较于去年的安卓旗舰设备提升了15%,能效比提高了40%。

总的来说,ARM核的架构以其低功耗、高性能和可扩展性等特点,在嵌入式系统、移动设备等领域得到了广泛应用。

三、ARM核的架构演进

3.1 经典ARM处理器ARMx

ARM处理器系列中,有几个经典的处理器型号,它们分别是ARM7、ARM9、ARM11以及Cortex系列。

  1. ARM7系列:这是ARM处理器家族中较早的一代产品,采用32位RISC架构。ARM7系列处理器的代表有ARM7TDMI和ARM7EJ-S等。这些处理器具有低功耗、高性能和广泛的操作系统支持等特点,广泛应用于嵌入式系统、移动设备等领域。
  2. ARM9系列:ARM9系列处理器是在ARM7基础上发展而来的,性能有明显提升。这些处理器在无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机等领域得到了广泛应用。
  3. ARM11系列:ARM11系列处理器是ARM9的升级版,采用更先进的制程技术和架构设计。ARM11系列处理器的代表有ARM1136J(F)-S、ARM1176JZ(F)-S等。这些处理器在性能和功耗方面都有很大的提升,同时保持了ARM架构的兼容性。

3.2 嵌入式ARM处理器Cortex-Mx系列:微控制器

嵌入式ARM处理器Cortex-M系列微控制器是由ARM公司推出的一款低功耗、高性能的32位处理器架构,广泛应用于嵌入式系统设计与开发中。该系列微控制器具有低成本、低功耗、高性能等特点,适用于各种不同规模和复杂度的嵌入式应用。

Cortex-M系列微控制器采用了精简指令集(RISC)架构,具有卓越的代码密度和低功耗特性。同时,Cortex-M处理器还具备快速中断响应、低延迟执行和丰富的外设接口,能够满足不同应用场景下的性能需求。其优秀的性能和低功耗特点使得Cortex-M系列在嵌入式系统领域得到广泛的应用。

Cortex-M系列覆盖了广泛的性能点,适用于多种应用领域,包括物联网(IoT)、工业自动化、智能家居和汽车电子等。在智能家居领域,ARM Cortex-M系列微控制器被广泛应用于智能灯光控制、智能门锁、智能家电等设备中,实现远程控制和自动化管理。

总的来说,嵌入式ARM处理器Cortex-M系列微控制器以其低功耗、高性能和广泛的应用领域,成为嵌入式系统设计与开发中的重要选择。

3.3 嵌入式ARM处理器Cortex-R系列:实时处理器

嵌入式ARM处理器Cortex-R系列是一种实时处理器,专为需要高可靠性、高可用性、容错功能、可维护性和实时响应的嵌入式系统而设计。它主要应用在对实时性要求高的场合,如汽车电子、工业控制、航空航天等。

Cortex-R系列处理器具有低延迟、高吞吐量和硬实时等特性,可以确保系统在各种复杂环境中都能稳定运行。此外,它还具有强大的内存保护单元(MPU),可以实现对存储器区域的读写保护和访问权限控制,从而提高系统的安全性和稳定性。

在汽车电子领域,Cortex-R系列处理器被广泛应用于车载控制系统中,如发动机控制、车身控制、底盘控制等。在工业控制领域,它也被用于实现各种自动化设备的实时控制和监测。

总之,嵌入式ARM处理器Cortex-R系列是一种高性能、高可靠性的实时处理器,适用于各种需要实时响应和复杂控制的嵌入式系统。

3.4 高性能应用ARM处理器Corex-A系列:应用处理器

ARM Cortex-A系列处理器是高性能应用处理器,专为需要强大计算能力和高性能指令集的应用而设计。它广泛应用于智能手机、平板电脑、笔记本电脑等移动设备以及网络设备、存储设备等领域。

Cortex-A系列处理器的特点包括:

  1. 高性能:Cortex-A系列芯片具有强大的计算能力和高性能指令集,通过多核设计和超标量架构,能够实现多线程并行处理,提供卓越的性能。
  2. 多级缓存:Cortex-A系列芯片采用多级缓存设计,包括L1、L2和L3缓存,提供了更高的缓存命中率和访问效率,从而加速数据的读写速度。
  3. 节能优化:Cortex-A系列芯片采用了一系列节能技术,如动态电压频率调整(DVFS)、休眠模式等,能够根据负载情况动态调整功耗,优化能源效率。

此外,Cortex-A系列处理器还支持TrustZone技术,通过硬件隔离将处理器分为安全世界和非安全世界,以防止未经授权的访问和攻击。在安全世界中,代码和数据受到严格的控制和保护,非安全世界则是运行常规操作系统和应用程序的环境。

Cortex-A系列处理器还提供了内存保护和指令/数据完整性保护等安全特性。通过多级缓存和内存访问权限控制,可以实现对每个内存区域的细粒度访问控制,防止越权访问内存。同时,它还支持硬件执行空间隔离和数据完整性保护,以保护敏感代码和数据免受未经授权的访问和修改。

总之,ARM Cortex-A系列处理器是一款高性能、高安全性、高能效的应用处理器,广泛应用于各种需要强大计算能力和高性能指令集的应用场景。

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