揭秘ARM架構(gòu)芯片的軟硬件組成

ARM是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，設(shè)計(jì)了大量高性能、廉價(jià)、耗能低的RISC處理器、相關(guān)技術(shù)及軟件，適用于多種領(lǐng)域，比如嵌入控制、消費(fèi)/教育類多媒體、DSP和移動(dòng)式應(yīng)用等。

2016年7月27日，公司發(fā)財(cái)報(bào)顯示，第二季度稅前利潤(rùn)為1.301億英鎊(約合1.71億美元)，同比增長(zhǎng)5%。在2016年9月，ARM以240億英鎊的價(jià)格被軟銀收購(gòu)。

盡管被收購(gòu)，但我們不容錯(cuò)過(guò)ARM芯片系列!硬件和軟件是一顆ARM架構(gòu)芯片互相依存的兩大部分，本文總結(jié)了一顆芯片的軟硬件組成，以作為對(duì)芯片的入門級(jí)概括吧!

硬件方面

主控CPU：運(yùn)算和控制核心?；鶐酒緲?gòu)架采用微處理器+數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的結(jié)構(gòu)，微處理器是整顆芯片的控制中心，會(huì)運(yùn)行一個(gè)實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)(如Nucleus PLUS)，DSP子系統(tǒng)負(fù)責(zé)基帶處理。應(yīng)用處理器則可能包括多顆微處理器，還有GPU。微處理器是ARM的不同系列的產(chǎn)品(也可以是x86架構(gòu))，可以是64位或者32位。處理器內(nèi)部通過(guò)“內(nèi)部總線”將CPU所有單元相連，其位寬可以是8-64位。

總線：計(jì)算機(jī)的總線按功能可以劃分為數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線，分別用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)地址和控制信號(hào)。CPU內(nèi)部部件由內(nèi)部總線互聯(lián)，外部總線則是CPU、內(nèi)存、輸入、輸出設(shè)備傳遞信息的公用通道，主機(jī)的各個(gè)部件通過(guò)總線相連接。外部設(shè)備通過(guò)相應(yīng)的接口電路再與外部總線相連接，從而形成了硬件系統(tǒng)。外部總線通過(guò)總線接口單元BLU與CPU內(nèi)部相連。

片上總線標(biāo)準(zhǔn)高級(jí)微控制器總線結(jié)構(gòu)AMBA定義了高性能嵌入式微控制器的通信標(biāo)準(zhǔn)。定義了三組總線：AHB(AMBA高性能總線)、ASB(AMBA系統(tǒng)總線)、和APB(AMBA外設(shè)總線)。

AHB總線用于高性能、高時(shí)鐘工作頻率模塊。AHB為高性能處理器、片上內(nèi)存、片外內(nèi)存提供接口，同時(shí)橋接慢速外設(shè)。DMA、DSP、主存等連在AHB上。ASB總線主要用于高性能系統(tǒng)模塊。

ASB是可用于AHB不需要的高性能特性的芯片設(shè)計(jì)上可選的系統(tǒng)總線。APB總線用于為慢速外設(shè)提供總線技術(shù)支持。

APB是一種優(yōu)化的，低功耗的，精簡(jiǎn)接口總線，可以支持多種不同慢速外設(shè)。由于APB是ARM公司最早提出的總線接口，APB可以橋接ARM體系下每一種系統(tǒng)總線。

外設(shè)I/O端口和擴(kuò)展總線：GPIO通用端口、UART串口、I2C、SPI 、SDIO、USB等，CPU和外擴(kuò)的芯片、設(shè)備以及兩顆CPU之間(如基帶處理器和應(yīng)用處理器之間)進(jìn)行通信的接口。一般來(lái)說(shuō)，芯片都會(huì)支持多種接口，并設(shè)計(jì)通用的軟件驅(qū)動(dòng)平臺(tái)驅(qū)動(dòng)。

存儲(chǔ)部件和存儲(chǔ)管理設(shè)備：Rom、Ram、Flash及控制器。處理器系統(tǒng)中可能包含多種類型的存儲(chǔ)部件，如Flash、SRAM、SDRAM、ROM 以及用于提高系統(tǒng)性能的Cache等等，不同的芯片會(huì)采用不同的存儲(chǔ)控制組合。參見(jiàn)博文”arm架構(gòu)的芯片memory及智能機(jī)存儲(chǔ)部件簡(jiǎn)述“

外設(shè)： 電源和功耗管理、復(fù)位電路和watchdog定時(shí)復(fù)位電路(前者是系統(tǒng)上電運(yùn)行、后者是Reset或者超時(shí)出錯(cuò)運(yùn)行)、時(shí)鐘和計(jì)數(shù)器、中斷控制器、DMA、 輸入/輸出(如鍵盤、顯示器等)、攝像頭等。

一顆ARM9架構(gòu)芯片主控器及外圍硬件設(shè)備組成如下圖所示：

軟件方面

芯片上的軟件主要包括Boot代碼、操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序以及硬件的firmware。

Boot程序引導(dǎo)設(shè)備的啟動(dòng)，是設(shè)備加電后在操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之前運(yùn)行的一段小程序。通過(guò)這段小程序，我們可以初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適的狀態(tài)，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好正確的環(huán)境。

操作系統(tǒng)(英語(yǔ)：Operating System，簡(jiǎn)稱OS)是管理和控制計(jì)算機(jī)硬件與軟件資源的計(jì)算機(jī)程序，其五大管理功能是：

1處理器管理，主要包括進(jìn)程的控制、同步、通信和調(diào)度。

2存儲(chǔ)器管理，主要包括內(nèi)存的分配、保護(hù)和擴(kuò)充，地址映射。

3設(shè)備管理，主要包括設(shè)備的分配、處理等。

4文件管理，主要包括文件的存儲(chǔ)空間管理，目錄管理，文件的讀寫和保護(hù)。

5作業(yè)管理，主要包括任務(wù)、界面管理，人機(jī)交互，語(yǔ)音控制和虛擬現(xiàn)實(shí)等。

應(yīng)用處理器上的操作系統(tǒng)有Android、IOS等，不必多說(shuō);基帶處理器上則會(huì)運(yùn)行一個(gè)RTOS(如Nucleus PLUS)管理整個(gè)基帶系統(tǒng)上的任務(wù)和部件間的通信。

應(yīng)用程序是為了完成某項(xiàng)或某幾項(xiàng)特定任務(wù)而被開(kāi)發(fā)運(yùn)行于操作系統(tǒng)之上的程序。應(yīng)用處理器上，結(jié)合操作系統(tǒng)API和庫(kù)函數(shù)，用戶可以開(kāi)發(fā)各色應(yīng)用程序;基帶處理器上則一般只有少量必要的軟件支持。

硬件firmware則是簡(jiǎn)化軟件與硬件的交互，讓硬件操縱起來(lái)更容易。

再來(lái)看看ARM處理器系列

ARM微處理器包括下面幾個(gè)系列，以及其它廠商基于 ARM 體系結(jié)構(gòu)的處理器，除了具有ARM 體系結(jié)構(gòu)的共同特點(diǎn)以外，每一個(gè)系列的 ARM 微處理器都有各自的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。

ARM7系列

ARM7 系列微處理器為低功耗的 32 位 RISC 處理器，最適合用于對(duì)價(jià)位和功耗要求較高的消費(fèi)類應(yīng)用。

ARM9系列

ARM9 系列微處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 系列微處理器為可綜合處理器，使用單一的處理器內(nèi)核提供了微控制器、 DSP 、 Java應(yīng)用系統(tǒng)的解決方案，極大的減少了芯片的面積和系統(tǒng)的復(fù)雜程度。 ARM9E 系列微處理器提供了增強(qiáng)的 DSP 處理能力，很適合于那些需要同時(shí)使用 DSP 和微控制器的應(yīng)用場(chǎng)合。

ARM10E系列

ARM10E 系列微處理器具有高性能、低功耗的特點(diǎn)，由于采用了新的體系結(jié)構(gòu)，與同等的 ARM9器件相比較，在同樣的時(shí)鐘頻率下，性能提高了近 50 %，同時(shí)， ARM10E 系列微處理器采用了兩種先進(jìn)的節(jié)能方式，使其功耗極低。

SecurCore系列

SecurCore 系列微處理器專為安全需要而設(shè)計(jì)，提供了完善的 32 位 RISC 技術(shù)的安全解決方案，因此， SecurCore 系列微處理器除了具有 ARM 體系結(jié)構(gòu)的低功耗、高性能的特點(diǎn)外，還具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，即提供了對(duì)安全解決方案的支持。[!--empirenews.page--]

Intel 的Xscale、StrongARM

Intel StrongARM SA-1100 處理器是采用 ARM 體系結(jié)構(gòu)高度集成的 32 位 RISC 微處理器。它融合了 Intel 公司的設(shè)計(jì)和處理技術(shù)以及 ARM 體系結(jié)構(gòu)的電源效率，采用在軟件上兼容 ARMv4 體系結(jié)構(gòu)、同時(shí)采用具有 Intel 技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的體系結(jié)構(gòu)。

其中，ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10為4個(gè)通用處理器系列，每一個(gè)系列提供一套相對(duì)獨(dú)特的性能來(lái)滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求， 而SecurCore 系列專門為安全要求較高的應(yīng)用而設(shè)計(jì)。