ARM 单片机新手入门问答-EDA365

单片机 > 单片机程序设计 > 详情

ARM 单片机新手入门问答

发布时间：

Q: ARM 是什么？

A:ARM（Advanced RISC Machines）,既可以认为是一个公司的名字,也可以认为是对一类微处理器的通称,还可以认为是一种技术的名字。

1991年ARM公司成立于英国剑桥,主要出售芯片设计技术的授权。目前,采用ARM技术知识产权（IP）核的微处理器,即我们通常所说的ARM微处理器,已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场,基于ARM技术的微处理器应用约占据了32位RISC微处理器75％以上的市场份额,ARM技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。

ARM公司是专门从事基于RISC技术芯片设计开发的公司,作为知识产权供应商,本身不直接从事芯片生产,靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片,世界各大半导体生产商从ARM公司购买其设计的ARM微处理器核,根据各自不同的应用领域,加入适当的外围电路,从而形成自己的ARM微处理器芯片进入市场。目前,全世界有几十家大的半导体公司都使用ARM公司的授权,因此既使得ARM技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持,又使整个系统成本降低,使产品更容易进入市场被消费者所接受,更具有竞争力。

Q:ARM微处理器的特点

A:1、体积小、低功耗、低成本、高性能;

2、支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集,能很好的兼容8位/16位器件;

3、大量使用寄存器,指令执行速度更快;

4、大多数数据操作都在寄存器中完成;

5、寻址方式灵活简单,执行效率高;

6、指令长度固定;

Q:ARM的RISC体系结构

A:传统的CISC（Complex Instruction Set Computer,复杂指令集计算机）结构有其固有的缺点,即随着计算机技术的发展而不断引入新的复杂的指令集,为支持这些新增的指令,计算机的体系结构会越来越复杂,然而,在CISC指令集的各种指令中,其使用频率却相差悬殊,大约有20％的指令会被反复使用,占整个程序代码的80％。而余下的80％的指令却不经常使用,在程序设计中只占20％,显然,这种结构是不太合理的。

基于以上的不合理性,1979年美国加州大学伯克利分校提出了RISC（Reduced Instruction Set Computer,精简指令集计算机）的概念,RISC并非只是简单地去减少指令,而是把着眼点放在了如何使计算机的结构更加简单合理地提高运算速度上。RISC结构优先选取使用频最高的简单指令,避免复杂指令;将指令长度固定,指令格式和寻地方式种类减少;以控制逻辑为主,不用或少用微码控制等措施来达到上述目的。

到目前为止,RISC体系结构也还没有严格的定义,一般认为,RISC体系结构应具有如下特点：

－采用固定长度的指令格式,指令归整、简单、基本寻址方式有2～3种。

－使用单周期指令,便于流水线操作执行。

－大量使用寄存器,数据处理指令只对寄存器进行操作,只有加载/ 存储指令可以访问存储器,以提高指令的执行效率。

除此以外,ARM体系结构还采用了一些特别的技术,在保证高性能的前提下尽量缩小芯片的面积,并降低功耗：

－所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行,从而提高指令的执行效率。

－可用加载/存储指令批量传输数据,以提高数据的传输效率。

－可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理。

－在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率。

当然,和CISC架构相比较,尽管RISC架构有上述的优点,但决不能认为RISC架构就可以取代CISC架构,事实上,RISC和CISC各有优势,而且界限并不那么明显。现代的CPU往往采用CISC的外围,内部加入了RISC的特性,如超长指令集CPU就是融合了RISC和CISC的优势,成为未来的CPU发展方向之一。

Q: ARM的寄存器结构

A:ARM处理器共有37个寄存器,被分为若干个组（BANK）,这些寄存器包括：

－ 31个通用寄存器,包括程序计数器（PC指针）,均为32位的寄存器。

－ 6个状态寄存器,用以标识CPU的工作状态及程序的运行状态,均为32位,目前只使用了其中的一部分。

同时,ARM处理器又有7种不同的处理器模式,在每一种处理器模式下均有一组相应的寄存器与之对应。即在任意一种处理器模式下,可访问的寄存器包括15个通用寄存器（R0～R14）、一至二个状态寄存器和一个程序计数器。在所有的寄存器中,有些是在7种处理器模式下共用的同一个物理寄存器,而有些寄存器则是在不同的处理器模式下有不同的物理寄存器。

Q: ARM指令集

A:ARM微处理器在较新的体系结构中支持两种指令集：ARM指令集和Thumb指令集。其中,ARM指令为32位的长度,Thumb指令为16位长度。Thumb指令集为ARM指令集的功能子集,但与等价的ARM代码相比较,可节省30％～40％以上的存储空间,同时具备32位代码的所有优点。

Q: ARM微处理器系列

A:ARM微处理器目前包括下面几个系列,以及其它厂商基于ARM体系结构的处理器,除了具有ARM体系结构的共同特点以外,每一个系列的ARM微处理器都有各自的特点和应用领域。

－ ARM7系列

－ ARM9系列

－ ARM9E系列

－ ARM10E系列

－ ARM11E系列

－ Cortex-M系列

－ Cortex-A系列

－ SecurCore系列

－ Inter的Xscale

－ Inter的StrongARM

其中,ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10为4个通用处理器系列,每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。SecurCore系列专门为安全要求较高的应用而设计。

Q: ARM微处理器的应用领域

A:到目前为止,ARM微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域：

1、工业控制领域：作为32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。

2、无线通讯领域：目前已有超过85%的无线通讯设备采用了ARM技术, ARM以其高性能和低成本,在该领域的地位日益巩固。

3、网络应用：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行了优化,并获得广泛支持,也对DSP的应用领域提出了挑战。

4、消费类电子产品：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。

5、成像和安全产品：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。

Q: 如何选择合适的ARM微处理器内核？

A:从前面所介绍的内容可知,ARM微处理器包含一系列的内核结构,以适应不同的应用领域,用户如果希望使用WinCE或标准Linux等操作系统以减少软件开发时间,就需要选择ARM720T以上带有MMU（Memory Management Unit）功能的ARM芯片,ARM720T、ARM920T、ARM922T、ARM946T、Strong-ARM都带有MMU功能。而ARM7TDMI则没有MMU,不支持Windows CE和标准Linux,但目前有uCLinux等不需要MMU支持的操作系统可运行于ARM7TDMI硬件平台之上。事实上,uCLinux已经成功移植到多种不带MMU的微处理器平台上,并在稳定性和其他方面都有上佳表现。

* 系统的工作频率

系统的工作频率在很大程度上决定了ARM微处理器的处理能力。ARM7系列微处理器的典型处理速度为0.9MIPS/MHz,常见的ARM7芯片系统主时钟为20MHz-133MHz,ARM9系列微处理器的典型处理速度为1.1MIPS/MHz,常见的ARM9的系统主时钟频率为100MHz-233MHz,ARM10最高可以达到700MHz。不同芯片对时钟的处理不同,有的芯片只需要一个主时钟频率,有的芯片内部时钟控制器可以分别为ARM核和USB、UART、DSP、音频等功能部件提供不同频率的时钟。

* 芯片内存储器的容量

大多数的ARM微处理器片内存储器的容量都不太大,需要用户在设计系统时外扩存储器,但也有部分芯片具有相对较大的片内存储空间,如ATMEL的AT91F40162就具有高达2MB的片内程序存储空间,用户在设计时可考虑选用这种类型,以简化系统的设计。

* 片内外围电路的选择

除ARM微处理器核以外,几乎所有的ARM芯片均根据各自不同的应用领域,扩展了相关功能模块,并集成在芯片之中,我们称之为片内外围电路,如USB接口、IIS接口、LCD控制器、键盘接口、RTC、ADC和DAC、DSP协处理器等,设计者应分析系统的需求,尽可能采用片内外围电路完成所需的功能,这样既可简化系统的设计,同时提高系统的可靠性。

ARM 单片机新手入门问答

相关推荐