ARMCortex系列处理器标准体系结构及发展趋势.doc

ARM Cortex系列解决器发展与应用刘洪涛版权华清远见嵌入式培训中心版权所有；未经华清远见明确允许，不能为任何目以任何形式复制或传播此文档任何某些；本文档包括信息如有更改，恕不另行告知；保存所有权利。ARM公司产品3ARM体系构造发展4T5TE67Halfword andsigned halfword/ byte supportSystem modeThumbinstruction setImprovedARM/ThumbInterworkingCLZSaturated arithmeticDSP multiply-accumulateinstructionsExtensionsJazelle (5TEJ)SIMD InstructionsMulti-processingv6 Memory architectureUnaligned data supportExtensionsThumb-2 (6T2)TrustZone (6Z)Multicore (6K)Thumb only (6-M)Thumb-2NEONTrustZoneArchitecture Profiles7-A (Applications)：NEON7-R (Real-time)：Hardware divide7-M (Microcontroller)：Hardwaredivide，Thumb-2 onlyNote that implementations of the same architecture can be different:Cortex-A8 - architecture v7-A with a 13-stage pipelineCortex-A9 - architecture v7-A with an 8-stage pipelineARM解决器发展5ARM Cortex 系列解决器解决器选取器7如何分析比较ARM解决器（芯片）速度（主频、效率、多核、多发射）数据解决能力（浮点、除法、乘法、单指令多数据流等）存储系统（mmu、cache、TCM、flash、内存、总线架构）异常系统（中断、abort等）功耗（电源管理、制造工艺）、能耗（W/MHz）外设（串口、can、pwm、usb、mac等）开发调试工具成本、技术资料等其他因素8Cortex-M0解决器9ARMv6-M Architecture16-bit Thumb-2 with system controlinstructionsFully programmable in C3-stage pipelinevon Neuman architectureAHB-Lite bus interfaceFixed memory map1-32 interruptsConfigurable priority levelsNon-Maskable Interrupt supportLow power supportCore configured with or withoutdebugVariable number of watchpointsand breakpointsCortex-M0特点能耗最低最小 ARM 解决器Cortex-M0 代码密度和能效优势意味着它是各种应用中 8/16 位设备自然高性价比换代产品，同步保存与功能丰富 Cortex-M3 解决器工具和二进制向上兼容性Cortex-M0 解决器在不到 12 K 门面积内能耗仅有 85W/MHz（0.085 毫瓦），所凭借是作为低能耗技术领导者和创立超低能耗设备重要推动者无与伦比ARM 专门技术。简朴指令只有 56 个，这样您便可以迅速掌握整个 Cortex-M0指令集（如果需要）；但其 C 语言和谐体系构造意味着这并不是必须。可供选取具备完全拟定性指令和中断计时使得计算响应时间十分容易。10典型产品重要厂商有： NXP、新唐（NuMicro家族）11Cortex-M1解决器采用ARMv6-M指令集架构能执行所有Thumb代码32位三级流水线构造Fully programmable in C3-stage pipelinevon Neuman architecture可配备data and instruction TCMs独立存储器和AHB-lite接口1-32 interrupts可配备嵌套向量中断控制器无需授权费用或权益金专门针对FPGA应用实现而开发Cortex M3 Total60k* GatesCortex-M1特点在 FPGA 中使用 ARM Cortex-M1 长处所有使用原则解决器体系构造供应商独立性 - Cortex-M1 解决器支持所有重要 FPGA 供应商软件和工具可以在 FPGA 和 ASIC/ASSP 之间重用从 FPGA 到 ASIC 简朴迁移途径受最大体系 - ARM Connected Community 支持易于将 Cortex-M1 解决器设计迁移到更新和最有效FPGA受可提供不同性能点解决方案强大 ARM 解决器路线图支持ARM 体系构造已在数十亿 ARM Powered 设备中通过验13证典型产品Actel（爱特）14Cortex-M3解决器Serial WireViewerARMv7-M ArchitectureThumb-2 onlyFully programmable in C3-stage pipelinevon Neumann architectureOptional MPUAHB-Lite bus interfaceFixed memory map1-240 interruptsConfigurable priority levelsNon-Maskable Interrupt supportDebug and Sleep controlSerial wire or JTAG debugOptional ETMCortex M3 Total60k* GatesCortex M3特点提供更高性能和更丰富功能是专门针对微控制器应用开发主流 ARM 解决器。性能和能效具备高性能和低动态能耗，Cortex-M3 解决器提供领先功能：在90nmG 基本上为 12.5 DMIPS/mW。将集成睡眠模式与可选状态保存功能相结合，Cortex-M3 解决器保证对于同步需要低能耗和出众性能应用不存在折衷。全功能该解决器执行 Thumb-2 指令集以获得最佳性能和代码大小，涉及硬件除法、单周期乘法和位字段操作。Cortex-M3 NVIC 在设计时是高度可配备，最多可提供 240 个具备单独优先级、动态重设优先级功能和集成系统时钟系统中断。丰富连接功能和性能组合使基于 Cortex-M3 设备可以有效解决各种 I/O 通道和合同原则，如 USB OTG (On-The-Go)。16典型产品重要厂商AtmelEnergyMicroLuminary（TI）NXPST17CORTEX-M4解决器M3基本上强化了运算能力，新加了浮点，DSP，并行计算等。 ARM希望把Cortex-M4用于数字信号控制市场，也就是既有微控制器“控制”能力，又有DSP“解决”能力，重要应用领域涉及 马达控制，电力与能源管理，嵌入式音频解决（能听懂人说话智能洋娃娃？），以及工业自动化。18Cortex-M系列解决器开发开发环境Keil（RealView-MDK）IAR开发工具Ulink2J-Link19Cortex-M系列解决器开发（cont.）CooCox简介CooCox CoIDE为ARM Cortex M系列开发者提供了一套完整集成开发环境，涉及工程管理、编辑、编译工具、调试器及一种开发者可以分享自己代码和看法交流平台。20Cortex-M系列解决器开发（cont.）21Cortex-M系列解决器开发（cont.）22Cortex-M系列解决器开发（cont.）23Cortex-M启动代码特点全c方式24Cortex-M启动代码特点（cont.）汇编方式25Cortex-M操作系统支持基于MDK RTXMDK RLRTX和CortexM3都源自ARM公司。ARM公司将其无缝整合在MDK开发套件中，因而将RLRTX移植到Cortex-M3上非常适合。uC/OS-II注意：开源不免费s目录下是对各个解决器移植可下载地方26Cortex-R4解决器ARMv7-R ArchitectureHardware divide instructionsThumb-2 support8-stage dual-issue pipelineDynamic Branch predictionReturn stackMemory protection unit (MPU)Non-maskable interrupt optionConfigurable caches and TCMsExternal DMA supportOptional parity error checkingv7 Debug architectureCortex-R4特点Cortex-R4 解决器是第一种基于 ARMv7-R 体系构造深层嵌入式实时解决器。它专用于大容量深层嵌入式片上系统应用，如硬盘驱动器控制器、无线基带解决器、消费性产品和汽车系统电子控制单元。Cortex-R4 是为基于 90 nm 至 28 nm 高档芯片工艺实现而设计，此外其设计重点在于提高能效、实时响应性、高档功能和使得系统设计更加容易。基于 40 nm G 工艺，Cortex-R4 可以实现以将近 1 GHz 频率运营，此时它可提供 1,500 Dhrystone MIPS 性能。该解决器提供高度灵活且有效双周期本地内存接口，使 SoC 设计者可以最大限度地减少系统成本和能耗。28典型产品重要厂商Infineon（英飞凌）应用于医疗设备博通应用于蓝光播放器29Cortex-R系列解决器开发Cortex-R+RTOS如：OSEK实时操作系统30Cortex-A8解决器Dual-issue，super-scalar 13-stage pipelineBranch Prediction & Return StackARMv7-A ArchitectureThumb-2Thumb-2EE (Jazelle-RCT)TrustZone extensionsCustom or synthesized designMMU64-bit or 128-bit AXI InterfaceL1 caches16 or 32KB eachUnified L2 cache0-2MB in size8-way set-associativeOptional featuresVFPv3 Vector Floating-PointNEON media processing engineNEON and VFP implemented at end of pipelineCortex-A8特点ARM Cortex-A8 解决器基于 ARMv7 体系构造，可以将速度从 600MHz 提高到 1GHz 以上。Cortex-A8 解决器可以满足需要在 300mW 如下运营移动设备功率优化规定；以及需要 Dhrystone MIPS 消费类应用领域性能优化规定。该解决器特别适合高性能应用领域。频率从 600MHz 到 1GHz 及以上高性能、超标量微体系构造用于多媒体和 SIMD 解决 NEON 技术32典型产品重要厂商TI （德州仪器）Omap3430 Cortex-A8核600MHz（诺基亚N96采用此芯片）Omap3530 Cortex-A8核600MHz ARM+DSP双核Samsung（三星）S5PC100 Cortex-A8核 600MHz (iPhone 3GS采用此芯片) S5PC110/S5PV210 Cortex-A8核1GHZ33典型产品(cont.)Freescale（飞思卡尔）i.MX512/ i.MX513/ i.MX515 Cortex-A8核600MHz1GHz（在多款上网本中得到应用）Marvell（马维尔）：PXA930 800MHz Cortex-A8核ARMADA 500/600/1000系列 Sheeva PJ4核心1GHz1.2GHz（支持ARMv7指令集，架构异同）Qualcomm（高通）：QSD8650A/ QSD8672（Snapdragon系列） 1.3G1.5Gscorpion核心（支持ARMv7指令，架构异同）34Cortex-A9解决器ARMv7-A ArchitectureThumb-2，Thumb-2EETrustZone supportVariable-length Multi-issue pipelineRegister renamingSpeculative data prefetchingBranch Prediction & ReturnStack64-bit AXI instruction and data interfacesTrustZone extensionsL1 Data and Instruction caches16-64KB each4-way set-associative典型产品(cont.)Nvidia（英伟达）：Tegra2 Cortex-A9核它可以支持非常强劲1080P高清播放能力、3D播放能力，视觉体验非常出众摩托罗拉XOOM平板电脑双核心Tegra 2解决器、Android 3.0系统TIOMAP4430OMAP 4440最大特色就是采用双ARM Cortex A9核心，运营频率为1.5GHz。OMAP 4440将可以使Web浏览等应用性能得到明显提高。至少会比既有A8解决器性能改进50%以上。36Cortex-A5解决器（14）37ARM Cortex-A5 处理器是能效最高、成本最低解决器，可以向最广泛设备提供 Internet 访问：从超低成本手机、特色手机和智能移动设备到普遍采用嵌入式、消费类和工业设备。Cortex-A5 是最小Cortex-A 解决器Cortex-A15解决器（14）最高主频2.5G，广泛适用于下一代智能手机、平板机、大屏幕移动计算设备、高品位数字家庭娱乐终端、无线基站等38Cortex-A系列解决器开发开发工具RVDS+RVI+RVTCortex-A+操作系统LinuxandroidWindows/CE、Mobile、phoneWindows7IphoneWebos39刘洪涛