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ARM9 与 ARM7 的比较及优化
作者:费浙平,ARM 中国公司技术行销经理
目前越来越多的嵌入式系统设计开始采用ARM9 处理器。理解 ARM9 与 ARM7 的差别,以及如何针对
ARM9 进行系统优化,成为了一个令人关注的话题。本文通过对 ARM9 处理器的特点介绍,介绍针对 ARM9
处理器进行系统优化的一些有效方法。
随着更多应用在嵌入式系统中的实现,嵌入式系统设计向着更高级、更复杂的方向发展。作为 32 位结构
体系中的翘楚,ARM 在各种应用领域里得到了极其广泛的应用,成为目前国内电子设计领域里面的焦点
之一(2005 年一项针对国内嵌入式系统开发者的调查表明,有 63%的工程师把ARM 作为 32 位 CPU 的首
选)。过去几年里,绝大部分ARM 系统都是基于 ARM7 处理器,最近一年里,基于 ARM9 处理器的产品
越来越多,研究 ARM9 的特点以及如何优化从ARM7 到 ARM9 的移植,成为很多嵌入式系统设计者所关
注的热点问题。
我们惯称的 ARM9 系列中又存在 ARM9 与 ARM9E 两个系列,其中 ARM9 属于 ARM v4T 架构,典型处
理器如 ARM9TDMI 和 ARM922T ;而ARM9E 属于 ARM v5TE 架构,典型处理器如 ARM926EJ 和
ARM946E 。因为后者的芯片数量和应用更为广泛,所以我们提到ARM9 的时候更多地是特指ARM9E 系
列处理器(主要就是 ARM926EJ 和 ARM946E 这两款处理器)。下面关于ARM9 的介绍也是更多地集中于
ARM9E 。
ARM7 处理器和 ARM9E 处理器的流水线差别
对嵌入式系统设计者来说,硬件通常是第一考虑的因素。针对处理器来说,流水线则是硬件差别的最明显
标志,不同的流水线设计会产生一系列硬件差异。让我们来比较一下 ARM7 和 ARM9E 的流水线,如图 1。
可以看到 ARM9E 从 ARM7 的 3 级流水线增加到了 5 级,ARM9E 的流水线中容纳了更多的逻辑操作,但
是每一级的逻辑操作却变得更为简单。比如原来 ARM7 的第三级流水,需要先内部读取寄存器、然后进行
相关的逻辑和算术运算,接着处理结果回写,完成的动作非常复杂;而在 ARM9E 的 5 级流水中,寄存器
读取、逻辑运算、结果回写分散在不同的流水当中,使得每一级流水处理的动作非常简洁。这就使得处理
器的主频可以大幅度地提高。因为每一级流水都对应 CPU 的一个时钟周期,如果一级流水中的逻辑过于
复杂,使得执行时间居高不下,必然导致所需的时钟周期变长,造成 CPU 的主频不能提升。所以流水线
的拉长,有利于 CPU 主频的提高。在常用的芯片生产工艺下,ARM7 一般运行在 100MHz 左右,而 ARM9E
则至少在 200MHz 以上。
图 1:ARM7 的三级流水线与ARM9E 的五级流水线。
ARM9E 处理器的存储器子系统
像 ARM926EJ 和 ARM946E 这两个最常见的 ARM9E 处理器中,都带有一套存储器子系统,以提高系统
性能和支持大型操作系统。如图 2 所示,一个存储器子系统包含一个 MMU(存储器管理单元)或 MPU(存储
器保护单元)、高速缓存(Cache)和写缓冲(Write Buffer);CPU 通过该子系统与系统存储器系统相连。
高速缓存和写缓存的引入是基于如下事实,即处理器速度远远高于存储器访问速度;如果存储器访问成为
系统性能的瓶颈,则处理器再快也是浪费,因为处理器需要耗费大量的时间在等待存储器上面。高速缓存
正是用来解决这个问题,它可以存储最近常用的代码和数据,以最快的速度提供给 CPU 处理(CPU 访问
Cache 不需要等待)。
图2:复杂处理器内部的存储器子系统
MMU 则是用来支持存储器管理的硬件单元,满足现代平台操作系统内存管理的需要;它主要包括两个功
能:一是支持虚
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