请以ARM，PowerPC，MIPS三种主流嵌入式CPU体系架构之一为对象，综述其结构特点和发展线路图（Roadmap），介绍各厂家系列产品的特点和应用场合，给出开发所需的开发环境/工具和情况。（xudqhust.edu.cn 徐端全老师）ARM 处理器简介电信摘要：ARM （Advanced RISC Machines）是32位嵌入式微处理器，已推出各种各样基于通用架构的处理器，这些处理器具有高性能和行业领先的功效，而且系统成本也有所降低。与业界最广泛的体系相结合，拥有超过750个可提供芯片、工具和软件的合作伙伴，已推出的一系列20多种处理器可以解决所有应用难题。迄今为止，ARM 已生产超过200亿个处理器，每天的销量超过1000万，是真正意义上的 The Architecture for the Digital World（数字世界的架构）。关键词：ARM；嵌入式；RISC1 ARM体系架构ARM架构支持各种性能点上的实现。在许多细分市场中它都占有主要架构的地位。ARM 处理器架构简单，因而可以进行极小规模的实现，而小规模的实现则意味着设备的功耗可以很低。实现规模、性能和非常低的功耗是 ARM 架构的关键特性。1.1基于RISC指令集ARM架构包含了下述RISC特性： 1.读取/储存架构 2.不支援地址不对齐内存存取(ARMv6内核现已支援) 3.正交指令集(任意存取指令可以任意的寻址方式存取数据Orthogonal instruction set) 4.大量的1632-bit暂存器档案(寄存器阵列register file) 5.固定的32bits操作码宽，降低编码数量所产生的耗费，减轻解码和管线化的负担。 6.大多均为一个CPU周期执行。此外，ARM 架构还包括某些可改进代码密度和性能的其他主要特性：1.可组合使用转换与算术或逻辑运算的指令 2.用于优化程序循环的自动递增和自动递减寻址模式 3.加载和存储多个指令以使数据吞吐量最大化 几乎所有指令都采取条件执行的方式以使执行吞吐量最大化。这些对基本 RISC 架构的增强使 ARM 处理器可以实现较高性能、较小代码大小、较低功耗和较小硅面积的良好平衡。1.2 体系架构ARM 处理器目前包括下面几个系列，ARM7 系列、 ARM9 系列 、ARM9E 系列、 ARM10E 系列 、SecurCore 系列 。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，都为每一个系列的ARM 处理器扩展了片内外围电路，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。这些功能模块与ARM 技术（IP）核一并集成在芯片之中，有各自的特点和应用领域。设计者可以根据系统的需求，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。1ARMv4T 架构引进了16位Thumb指令集和32位ARM指令集，目的是在同一个架构中同时提供高性能和领先的代码密度。16ARM处理器与体系结构版本位Thumb指令集相对于32位ARM指令集可缩减高达35%的代码大小，同时保持32位架构的优点。ARMv5TEJ 架构引进了数字信号处理 算法（如饱和运算）的算术支持和Jazelle Java字节码引擎来启用Java字节码的硬件执行，从而改善用Java编写的应用程序的性能。与非Java加速内核比较，Jazelle将Java执行速度提高了8倍，并且减少了80%的功耗。许多基于ARM处理器的便携式设备中已使用此架构，目的是在游戏和多媒体应用程序的性能方面提供显著改进的用户体验。ARMv6 架构引进了包括单指令多数据(SIMD)运算在内的一系列新功能。SIMD扩展已针对多种软件应用程序（包括视频编解码器和音频编解码器）进行优化，对于这些软件应用程序，SIMD扩展最多可将性能提升四倍。此外，还引进了作为ARMv6架构的变体的Thumb-2和TrustZone技术。ARMv6M 架构为低成本、高性能设备而设计，向以前由8位设备占主导地位的市场提供32位功能强大的解决方案。其16位 Thumb 指令集架构允许设计者设计门数最少却十分经济实惠的设备。始终如一的中断处理结构和编程器模式为所有Cortex-M系列处理器（从Cortex-M0处理器到Cortex-M3处理器）提供了完全向上兼容的途径。ARMv7 架构向目标应用提供一组自定义配置文件。所有Cortex处理器都实现了ARMv7架构（实现ARMv6M的Cortex-M系列处理器除外）。所有ARMv7架构配置文件都实现了Thumb-2技术（一个经过优化的16/32位混合指令集），在保持与现有ARM 解决方案的代码完全兼容的同时，既具有32位ARM ISA的性能优势，又具有16位Thumb ISA的代码大小优势。ARMv7架构还包括NEON 技术扩展，可将DSP和媒体处理吞吐量提升高达400个百分比，并提供改进的浮点支持以满足下一代3D图形和游戏物理学以及传统嵌入式控制应用程序的需要Cortex架构旨在横跨各种应用领域（从成本少于 1 美元的微控制器到功能强大，运行速度超过2GHz的多核设计）。此架构分为3种配置文件： Cortex-A - 应用程序配置文件，它在 MMU（内存管理单元）、用于多媒体应用程序的可选 NEON 处理单元以及支持半精度、单精度和双精度运算的高级硬件浮点单元的基础上实现了虚拟内存系统架构。它适用于高端消费电子设备、网络设备、移动 Internet 设备和企业市场。 Cortex-R - 实时配置文件，它在MPU（内存保护单元）的基础上实现了受保护内存系统架构。它适用于高性能实时控制系统（包括汽车和大容量存储设备）。Cortex-M - 微控制器配置文件，可快速进行中断处理，适用于需要高度确定的行为和最少门数的成本敏感型设备。1.3 兼容性由于所有架构变体都具有通用的指令集，因此用户可通过 ARM 架构构建具有最具兼容性的软件，从而保护其软件投资。ARM 架构受所有领先的软件工具供应商的支持，允许跨多个项目使用通用工具链，甚至允许交叉使用由这些工具链生成的代码，前提是这些项目和代码遵循 ARM 架构的应用程序二进制接口规格。2 开发环境/工具ARM工具系列提供了三种软件系列，为您提供在应用程序开发的每个阶段所必需的软件工具： DS-5为基于ARM处理器的Linux和 Android操作系统提供了轻松的开发方式 ； RVDS可用于所有ARM处理器和多核系统； Kiel MDK开发工具支持基于Cortex-M系列、Cortex-R系列、ARM7和ARM9处理器系列的微控制器设备。3 应用领域ARM技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。1、工业控制领域：作为32位的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。24 结语ARM大幅简化架构，仅保留所需要的指令，可以让整个处理器更为简化，拥有小体积、高效能的特性。此外，ARM架构还进行了高密度整合，由于ARM授权的弹性以及核心架构单纯，ARM处理器架构可以很容易与其它专职的特殊核心，像是GPU、多媒体译码核心、基频调制解调器、I/O控制等架构整合，透过SoC（System On a Chip，系统单芯片）的方式，一颗小小的ARM架构应用处理器，就能完成近年x86架构处理器积极跨足的单芯片设计，并且透过各种不同的核心分工各司其职，ARM架构应用处理器的核心负担相较传统x86处理器低上许多。ARM以其强大的性能，在2001年，32位MCU市场占接近8成；2008年，出货量100亿；ARM芯片已经创造1美金/片的神话，未来的8051；当下低端8位机，市场份额减少；32位机取代16位机是趋势；32位机份额逐年加大；ARM的目标：“与Intel二分天下”！ 参考文献1冯俊,汪淼.基于ARM处理器的数字视频监控系统C./2008江苏省自动化学会学术年会论文集.2008:140-145.2张峰.基于ARM处理器的嵌入式防火墙的研究与实现D.南京航空航天大学,2008