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[架构之路-17]:目标系统 - 硬件平台 - ARM CPU架构与系列选型


目录

​​第1章 ARM概述​​

​​1.1 ARM的过去​​

​​1.2  ARM内核架构版本与ARM CPU家族的对应关系​​

​​1.3 ARM CPU家族系列​​

​​1.4 ARM cortex系列​​

​​第2章 ARM芯片系统设计​​

​​2.1 ARM SOC CPU总体架构​​

​​2.2 ARM CPU内部互联总线AMBA​​

​​2.3 调试工具​​

​​第3章 ARM CPU芯片的内部架构​​

​​3.1 CPU内部结构与编程模式​​

​​3.2 指令集​​

第1章 ARM概述

1.1 ARM的过去

1978年12月5日,物理学家赫尔曼·豪泽(Hermann Hauser)和工程师Chris Curry,在英国剑桥创办了CPU公司(Cambridge ​​Processing​​ Unit),主要业务是为当地市场供应电子设备。1979年,CPU公司改名为Acorn计算机公司。

80年代中期,Acorn的一个小团队要为他们的下一代计算机挑选合适的处理器,根据他们提供的技术需求,在当时的市场上无法找到合适的处理器,于是 Acorn决定自己设计一个处理器(真有魄力)。一个小团队仅仅用了18个月就完成了从设计到实现的全过程,这是一台RISC指令集的计算机,叫做 Acorn RISC Machine(简称ARM)。后来Acorn计算机公司没落了,而CPU处理器设计部门被分了出来,组成了一家新公司, 即ARM公司。

​​英国​​​ARM公司是全球领先的​​半导体知识产权​​​(IP)提供商。全世界超过95%的​​智能手机​​​和平板电脑都采用​​ARM架构​​​ [1]  。ARM设计了大量高性价比、耗能低的​​RISC​​​​处理器​​、相关技术及软件。2014年基于ARM技术的全年全球出货量是120亿颗,从诞生到现在为止基于ARM技术的芯片有600亿颗 [2]  。技术具有性能高、成本低和能耗省的特点。在智能机、平板电脑、嵌入控制、多媒体数字等处理器领域拥有主导地位。

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

1.2  ARM内核架构版本与ARM CPU家族的对应关系

[架构之路-17]:目标系统 - 硬件平台 - ARM CPU架构与系列选型_嵌入式硬件_02

ARM内核架构版本:V4~V7, 反应的指令集

ARM CPU家族:反应的是CPU芯片的型号。

1.3 ARM CPU家族系列

ARM 架构是构建每个 ARM 处理器的基础。随着时间的推移不断发展,ARM 架构自身也在不断的演进和发展。

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[架构之路-17]:目标系统 - 硬件平台 - ARM CPU架构与系列选型_arm_05

 Cortex就是ARM公司一个系列处理器的名称。比如英特尔旗下处理器有​​酷睿​​​,​​奔腾​​​,​​赛扬​​。

ARM在最初的处理器型号都用数字命名,ARM 处理器的命名为 ARM+version,从第一代的 ARM1 到后来的 ARM11。随着市场的逐渐铺开,才分化出了 cortex-A、cortex-R、cortex-M 三个系列的命名方式,后续的处理器都就不再采用 ARM+version

在应用ARMv7架构后,推出了Cortex这一系列,老式的则命名为Classic系列

1.4 ARM cortex系列

ARM处理器分为 A、R、M

cortex-A 系列,指的是 Application,主要是高性能的处理器。相比于其它两种处理器,特点是增加了内存管理单元 MMU,对于运行大型的Linux这样的应用操作系,MMU是必不可少的元件。

cortex-R 系列,指的是 Real-time,主要是实时性的特点。一个常见的认知误区是:实时性就是处理快,实时性是指只对外事件的响应快,而不是CPU处理能力块。但是事实上,实时性代表的是处理时间上的确定性和低延迟,即一个操作可以在指定的短时间内完成,MMU 引入的地址转换通常不能满足其实时性的要求,所以 R 系列处理器并不挂载 MMU。

cortex-M 系列,指的是 Microcontroller,即微处理器,主打中低端市场。真实应用场景中,更多的是大型中控搭配小型嵌入式控制系统,小型嵌入式节点通常是海量的,比如智能家居、物联网等等,这一种系统的特点在于低功耗、低成本,相当的高性能,在中低端市场,性价比通常是一个主要的衡量因素。cortex-主要应用在单片机市场,如STM32。

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第2章 ARM芯片系统设计

2.1 ARM SOC CPU总体架构

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 ARM Core:为执行指令的CPU核。

外设控制器:可以外界各种外部设备,包括I2C等低速串行总线,也可以包括以太网,PCIe等高速总线。

8bit ROM:启动程序

32bit RAM:片内RAM

16bit RAM:片外RAM

中断控制器:各种外部中断

2.2 ARM CPU内部互联总线AMBA

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2.3 调试工具

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[架构之路-17]:目标系统 - 硬件平台 - ARM CPU架构与系列选型_架构_11

 通过JTAG工具,可以完成如下的功能:

(1)下载程序到目标硬件的RAM中

(2)下载程序到目标硬件的ROM中

(3)单步跟踪执行程序。

第3章 ARM CPU芯片的内部架构

3.1 CPU内部结构与编程模式

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[架构之路-17]:目标系统 - 硬件平台 - ARM CPU架构与系列选型_指令集_16

 

[架构之路-17]:目标系统 - 硬件平台 - ARM CPU架构与系列选型_原理_17

 

[架构之路-17]:目标系统 - 硬件平台 - ARM CPU架构与系列选型_架构_18

 

[架构之路-17]:目标系统 - 硬件平台 - ARM CPU架构与系列选型_嵌入式硬件_19

 

[架构之路-17]:目标系统 - 硬件平台 - ARM CPU架构与系列选型_原理_20

3.2 指令集

[架构之路-17]:目标系统 - 硬件平台 - ARM CPU架构与系列选型_原理_21

 

[架构之路-17]:目标系统 - 硬件平台 - ARM CPU架构与系列选型_架构_22

 

[架构之路-17]:目标系统 - 硬件平台 - ARM CPU架构与系列选型_原理_23

 

[架构之路-17]:目标系统 - 硬件平台 - ARM CPU架构与系列选型_架构_24

 

[架构之路-17]:目标系统 - 硬件平台 - ARM CPU架构与系列选型_指令集_25

 

[架构之路-17]:目标系统 - 硬件平台 - ARM CPU架构与系列选型_嵌入式硬件_26

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