ARM9處理器與ARM7處理器比較
摘要：ARM處理器是世界上最流行的嵌入式處理器，廣泛應用于個(gè)人通信等嵌入式領(lǐng)域。ARM7處理器雖然功能強大，但是目前已經(jīng)開(kāi)始退出主流應用領(lǐng)域，代替它的是性能更加強大的ARM9系列處理器。介紹了ARM9處理器與ARM7處理器的不同之處，并且給出了ARM9的應用實(shí)例。
關(guān)鍵詞：ARM9 ARM7 流水線(xiàn) 指令周期
ARM9系列處理器是英國ARM公司設計的主流嵌入式處理器，主要包括ARM9TDMI和ARM9E-S等系列。本文主要介紹它們與ARM7TDMI的結構以及性能比較。
以手機應用為例，2G手機只需提供語(yǔ)音及簡(jiǎn)單的文字短信功能，而目前的2．5G和未來(lái)的3G手機除了提供這兩項功能外，還必須提供各種其他的應用功能。主要包括：(1)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )設備：手機上網(wǎng)、電子郵件及其他定位服務(wù)等功能；(2)PDA功能：含有用戶(hù)操作系統(Windows CE、Symbian OS、Linux等)及其他功能；(3)高性能功能：音頻播放器、視頻電話(huà)、手機游戲等。在2．5G和3G的應用中ARM9已經(jīng)全面替代了ARM7。因為ARM9的新特性能夠滿(mǎn)足各種新需求的同時(shí)減少產(chǎn)品研發(fā)時(shí)間并降低研發(fā)費用。
新一代的ARM9處理器，通過(guò)全新的設計，采用了更多的晶體管，能夠達到兩倍以上于A(yíng)RM7處理器的處理能力。這種處理能力的提高是通過(guò)增加時(shí)鐘頻率和減少指令執行周期實(shí)現的。
1 時(shí)鐘頻率的提高
ARM7處理器采用3級流水線(xiàn)，而ARM9采用5級流水線(xiàn)，如圖1、2、3所示。增加的流水線(xiàn)設計提高了時(shí)鐘頻率和并行處理能力。5級流水線(xiàn)能夠將每一個(gè)指令處理分配到5個(gè)時(shí)鐘周期內，在每一個(gè)時(shí)鐘周期內同時(shí)有5個(gè)指令在執行。在同樣的加工工藝下，ARM9TDMI處理器的時(shí)鐘頻率是ARM7TDMI的1．8～2．2倍。
圖1、圖2和圖3
2 指令周期的改進(jìn)
指令周期的改進(jìn)對于處理器性能的提高有很大的幫助。性能提高的幅度依賴(lài)于代碼執行時(shí)指令的重疊，這實(shí)際上是程序本身的問(wèn)題。對于采用最高級的語(yǔ)言，一般來(lái)說(shuō)，性能的提高在30％左右。
2．1 loads 指令矛n stores指令
指令周期數的改進(jìn)最明顯的是loads指令和stores指令。從ARM7到ARM9這兩條指令的執行時(shí)間減少了30％。指令周期的減少是由于A(yíng)RM7和ARM9兩種處理器內的兩個(gè)基本的微處理結構不同所造成的。
(1)ARM9有獨立的指令和數據存儲器接口，允許處理器同時(shí)進(jìn)行取指和讀寫(xiě)數據。這叫作改進(jìn)型哈佛結構。而ARM7只有數據存儲器接口，它同時(shí)用來(lái)取指令和數據訪(fǎng)問(wèn)。
(2)5級流水線(xiàn)引入了獨立的存儲器和寫(xiě)回流水線(xiàn)，分別用來(lái)訪(fǎng)問(wèn)存儲器和將結果寫(xiě)回寄存器。
以上兩點(diǎn)實(shí)現了一個(gè)周期完成loads指令和stores指令。
2．2 互鎖(interlocks)技術(shù)
當指令需要的數據因為以前的指令沒(méi)有執行完而沒(méi)有準備好就會(huì )產(chǎn)生管道互鎖。當管道互鎖發(fā)生時(shí)，硬件會(huì )停止這個(gè)指令的執行，直到數據準備好為止。雖然這種技術(shù)會(huì )增加代碼執行時(shí)間，但是為初期的設計者提供了巨大的方便。編譯器以及匯編程序員可以通過(guò)重新設計代碼的順序或者其他方法來(lái)減少管道互鎖的數量。
2．3 分枝指令
ARM9和ARM7的分枝指令周期是相同的。而且ARM9TDMI和ARM9E-S并沒(méi)有對分枝指令進(jìn)行預測處理。
3 ARM9結構及特點(diǎn)
以ARM9E-S為例介紹ARM9處理器的主要結構及其特點(diǎn)。ARM9E-S的結構如圖4所示。其主要特點(diǎn)如下：
(1)32bit定點(diǎn)RISC處理器，改進(jìn)型ARM／Thumb代碼交織，增強性乘法器設計。支持實(shí)時(shí)(real-time)調試；
(2)片內指令和數據SRAM，而且指令和數據的存儲器容量可調；
(3)片內指令和數據高速緩沖器(cache)容量從4K字節到1M字節；
(4)設置保護單元(protcction unit)，非常適合嵌入式應用中對存儲器進(jìn)行分段和保護；
(5)采用AMBA AHB總線(xiàn)接口，為外設提供統一的地址和數據總線(xiàn)；
(6)支持外部協(xié)處理器，指令和數據總線(xiàn)有簡(jiǎn)單的握手信令支持；
(7)支持標準基本邏輯單元掃描測試方法學(xué)，而且支持BIST(built-in-self-test)；
(8)支持嵌入式跟蹤宏單元，支持實(shí)時(shí)跟蹤指令和數據。
圖5
4 ARM9的典型應用
TI公司的OMAP730是最新的無(wú)線(xiàn)通信基帶信號處理器。該處理器是TI的GPRS Class 12通信模塊與專(zhuān)用于應用處理的ARM926通用處理器(GPP)的集成。由于GPP的速度可達200MHz，因此OMAP730具有兩倍于上一代OMAP710處理器的應用處理性能。如同所有的OMAP處理器一樣，OMAP730可支持領(lǐng)先的移動(dòng)操作系統，其中包括Microsoft的智能電話(huà)與Pocket PC PhoneEdition、Svmbian OS與Series 60、Palm OS以及Linux。
TI OMAP730結構如圖5所示。其中ARM926TEJ處理器的主要特性包括：(1)最高頻率200MHz；(2)16KB指令高速緩存，8KB數據高速緩存；(3)硬件JAVA加速；(4)擴展多媒體指令集結構。
ARM微處理器是一種高性能、低功耗的32位微處器，它被廣泛應用于嵌入式系統中。ARM9代表了ARM公司主流的處理器，已經(jīng)在手持電話(huà)、機頂盒、數碼像機、GPS、個(gè)人數字助理以及因特網(wǎng)設備等方面有了廣泛的應用。
清華大學(xué)深圳研究生院ASIC研究中心 劉魯新 權進(jìn)國 林孝康
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