原创总结一颗ARM架构芯片软硬件组成

 2019-8-22 20:58  3826 13 13 分类: FPGA/CPLD

ARM是微处理器行业的一家知名企业，设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件，适用于多种领域，比如嵌入控制、消费/教育类多媒体、DSP和移动式应用等。
    2016年7月27日，公司发财报显示，第二季度税前利润为1.301亿英镑（约合1.71亿美元），同比增长5%。在2016年9月，ARM以240亿英镑的价格被软银收购。
    尽管被收购，但我们不容错过ARM芯片系列！硬件和软件是一颗ARM架构芯片互相依存的两大部分，本文总结了一颗芯片的软硬件组成，以作为对芯片的入门级概括吧！

    硬件方面
    主控CPU：运算和控制核心。基带芯片基本构架采用微处理器+数字信号处理器（DSP）的结构，微处理器是整颗芯片的控制中心，会运行一个实时嵌入式操作系统（如Nucleus PLUS），DSP子系统负责基带处理。应用处理器则可能包括多颗微处理器，还有GPU。微处理器是ARM的不同系列的产品（也可以是x86架构），可以是64位或者32位。处理器内部通过“内部总线”将CPU所有单元相连，其位宽可以是8-64位。
    总线：计算机的总线按功能可以划分为数据总线、地址总线和控制总线，分别用来传输数据、数据地址和控制信号。CPU内部部件由内部总线互联，外部总线则是CPU、内存、输入、输出设备传递信息的公用通道，主机的各个部件通过总线相连接。外部设备通过相应的接口电路再与外部总线相连接，从而形成了硬件系统。外部总线通过总线接口单元BLU与CPU内部相连。
    片上总线标准高级微控制器总线结构AMBA定义了高性能嵌入式微控制器的通信标准。定义了三组总线：AHB（AMBA高性能总线）、ASB（AMBA系统总线）、和APB（AMBA外设总线）。
    AHB总线用于高性能、高时钟工作频率模块。AHB为高性能处理器、片上内存、片外内存提供接口，同时桥接慢速外设。DMA、DSP、主存等连在AHB上。ASB总线主要用于高性能系统模块。
    ASB是可用于AHB不需要的高性能特性的芯片设计上可选的系统总线。APB总线用于为慢速外设提供总线技术支持。
    APB是一种优化的，低功耗的，精简接口总线，可以支持多种不同慢速外设。由于APB是ARM公司最早提出的总线接口，APB可以桥接ARM体系下每一种系统总线。
    外设I/O端口和扩展总线：GPIO通用端口、UART串口、I2C、SPI 、SDIO、USB等，CPU和外扩的芯片、设备以及两颗CPU之间（如基带处理器和应用处理器之间）进行通信的接口。一般来说，芯片都会支持多种接口，并设计通用的软件驱动平台驱动。
    存储部件和存储管理设备：Rom、Ram、Flash及控制器。处理器系统中可能包含多种类型的存储部件，如Flash、SRAM、SDRAM、ROM以及用于提高系统性能的Cache等等，不同的芯片会采用不同的存储控制组合。参见博文”arm架构的芯片memory及智能机存储部件简述“
    外设：电源和功耗管理、复位电路和watchdog定时复位电路（前者是系统上电运行、后者是Reset或者超时出错运行）、时钟和计数器、中断控制器、DMA、输入/输出（如键盘、显示器等）、摄像头等。
    一颗ARM9架构芯片主控器及外围硬件设备组成如下图所示：

    软件方面
    芯片上的软件主要包括Boot代码、操作系统、应用程序以及硬件的firmware。
    Boot程序引导设备的启动，是设备加电后在操作系统内核运行之前运行的一段小程序。通过这段小程序，我们可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。
    操作系统（英语：OperaTIng System，简称OS）是管理和控制计算机硬件与软件资源的计算机程序，其五大管理功能是：
    1处理器管理，主要包括进程的控制、同步、通信和调度。
    2存储器管理，主要包括内存的分配、保护和扩充，地址映射。
    3设备管理，主要包括设备的分配、处理等。
    4文件管理，主要包括文件的存储空间管理，目录管理，文件的读写和保护。
    5作业管理，主要包括任务、界面管理，人机交互，语音控制和虚拟现实等。
    应用处理器上的操作系统有Android、IOS等，不必多说;基带处理器上则会运行一个RTOS（如Nucleus PLUS）管理整个基带系统上的任务和部件间的通信。
    应用程序是为了完成某项或某几项特定任务而被开发运行于操作系统之上的程序。应用处理器上，结合操作系统API和库函数，用户可以开发各色应用程序;基带处理器上则一般只有少量必要的软件支持。
    硬件firmware则是简化软件与硬件的交互，让硬件操纵起来更容易。
    再来看看ARM处理器系列
    ARM微处理器包括下面几个系列，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
    ARM7 系列微处理器为低功耗的 32 位 RISC 处理器，最适合用于对价位和功耗要求较高的消费类应用。
    ARM9系列
    ARM9 系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。
    ARM9E系列
    ARM9E 系列微处理器为可综合处理器，使用单一的处理器内核提供了微控制器、 DSP 、 Java应用系统的解决方案，极大的减少了芯片的面积和系统的复杂程度。 ARM9E 系列微处理器提供了增强的 DSP 处理能力，很适合于那些需要同时使用 DSP 和微控制器的应用场合。
    ARM10E系列
    ARM10E 系列微处理器具有高性能、低功耗的特点，由于采用了新的体系结构，与同等的 ARM9器件相比较，在同样的时钟频率下，性能提高了近 50 %，同时， ARM10E 系列微处理器采用了两种先进的节能方式，使其功耗极低。
    SecurCore系列
    SecurCore 系列微处理器专为安全需要而设计，提供了完善的 32 位 RISC 技术的安全解决方案，因此， SecurCore 系列微处理器除了具有 ARM 体系结构的低功耗、高性能的特点外，还具有其独特的优势，即提供了对安全解决方案的支持。
    Intel 的Xscale、StrongARM
    Intel StrongARM SA-1100 处理器是采用 ARM 体系结构高度集成的 32 位 RISC 微处理器。它融合了 Intel 公司的设计和处理技术以及 ARM 体系结构的电源效率，采用在软件上兼容 ARMv4 体系结构、同时采用具有 Intel 技术优点的体系结构。
    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，而SecurCore 系列专门为安全要求较高的应用而设计。

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