先來談一下ARM的發(fā)展史：1978年12月5日，物理學家赫爾曼·豪澤（Hermann Hauser）和工程師Chris Curry，在英國劍橋創(chuàng)辦了CPU公司（Cambridge Processing Unit），主要業(yè)務(wù)是為當?shù)厥袌龉?yīng)電子設(shè)備。1979年，CPU公司改名為Acorn計算機公司。

　　80年代中期，Acorn的一個小團隊要為他們的下一代計算機挑選合適的處理器，根據(jù)他們提供的技術(shù)需求，在當時的市場上無法找到合適的處理器，于是Acorn決定自己設(shè)計一個處理器（真有魄力）。一個小團隊僅僅用了18個月就完成了從設(shè)計到實現(xiàn)的全過程，這是一臺RISC指令集的計算機，叫做Acorn RISC Machine（簡稱ARM）。后來Acorn公司沒落了，而處理器設(shè)計部門被分了出來，組成了一家新公司。

　　ARM公司主要設(shè)計ARM系列AISC處理器內(nèi)核，它不生產(chǎn)芯片，只提供IP核。先以一個例子解釋一下架構(gòu)、核、處理器和芯片：S3C2440，這是一款SoC芯片，注意，它不是cpu，2440和我們熟知的51單片機有點類似，都屬于嵌入式，嵌入式的發(fā)展到目前經(jīng)歷了三個階段，分別是SCM、MCU、SoC。51屬于SCM或MCU，而2440就屬于SoC了，先來看看51單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　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。具有以下特點：

　?。?5 級整數(shù)流水線，指令執(zhí)行效率更高。

　　－ 提供 1.1MIPS/MHz 的哈佛結(jié)構(gòu)。

　　－ 支持 32 位 ARM 指令集和 16 位 Thumb 指令集。

　　－ 支持 32 位的高速 AMBA總線接口。

　?。?全性能的 MMU，支持 Windows CE、Linux、Palm OS等多種主流嵌入式操作系統(tǒng)。

　　－ MPU支持實時操作系統(tǒng)。

　?。?支持數(shù)據(jù) Cache 和指令Cache，具有更高的指令和數(shù)據(jù)處理能力。

　　ARM9 系列微處理器主要應(yīng)用于無線設(shè)備、儀器儀表、安全系統(tǒng)、機頂盒、高端打印機、數(shù)字照相機和數(shù)字攝像機等。

　　ARM9 系列微處理器包含 ARM920T、ARM922T和 ARM940T 三種類型，以適用于不同的應(yīng)用場合。

　　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

　　增強的 DSP 處理能力，很適合于那些需要同時使用 DSP 和微控制器的應(yīng)用場合。

　　ARM9E 系列微處理器的主要特點如下：

　　－ 支持 DSP 指令集，適合于需要高速數(shù)字信號處理的場合。

　?。?5 級整數(shù)流水線，指令執(zhí)行效率更高。

　?。?支持 32 位 ARM 指令集和 16 位 Thumb 指令集。

　　－ 支持 32 位的高速 AMBA總線接口。

　?。?支持 VFP9 浮點處理協(xié)處理器。

　　－ 全性能的 MMU，支持 Windows CE、Linux、Palm OS等多種主流嵌入式操作系統(tǒng)。

　　－ MPU支持實時操作系統(tǒng)。

　?。?支持數(shù)據(jù) Cache 和指令Cache，具有更高的指令和數(shù)據(jù)處理能力。

　?。?主頻最高可達 300MIPS。

　　ARM9 系列微處理器主要應(yīng)用于下一代無線設(shè)備、數(shù)字消費品、成像設(shè)備、工業(yè)控制、存儲設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等領(lǐng)域。

　　ARM9E 系列微處理器包含 ARM926EJ-S、ARM946E-S 和 ARM966E-S 三種類型，以適用于不同的應(yīng)用場合。

　　ARM920T的結(jié)構(gòu)與特性

　　三星S3C2440A芯片自稱處理器，但其實它是采用了ARM公司設(shè)計的ARM920T CPU加上一些其他組件，然后把它們封裝在一起形成的一個多功能芯片。這里關(guān)注的是ARM920T CPU，下面就去看一看它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

　　ARM920T CPU結(jié)構(gòu)

　　mini2440開發(fā)板采用了S3C2440A芯片，而S3C2440A芯片又采用了ARM公司設(shè)計的ARM920T CPU。上次研究了計算平臺—mini2440開發(fā)板。發(fā)現(xiàn)上面有個叫S3C2440A的黑盒子，并打開了它，發(fā)現(xiàn)它里面又有許多黑盒子，并且對其中一些黑盒子做了簡要的介紹，如圖3-1所示。另外，為了便于閱讀，把2-4的圖又搬過來，筆者覺得雖然增加篇幅，但是節(jié)省了回去翻書的時間。

　　圖就是S3C2440A這個黑盒子內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，其實早已看過，不過上次我們沒有繼續(xù)拆開它里面的黑盒子。其中有個非常重要的黑盒子—ARM920T，它才是這次要關(guān)注的重點，下面打開它，看看它里面又有什么，如圖3-2所示。

　　ARM920T里面的黑盒子以及功能單元如下：

　　1）JTAG：一種調(diào)試或者測試芯片的接口，可以通過JTAG接口訪問CPU的內(nèi)部寄存器和掛在總線上的設(shè)備，如Flash、RAM等，我們不必過多關(guān)注。

　　2）ARM9TMDI：它才是真正運行程序的。

　　3）指令、數(shù)據(jù)MMU：包括兩個C13一起處理內(nèi)存地址映射的。

　　4）指令、數(shù)據(jù)Cache：包括寫回PATAG RAM、寫緩沖，一起完成高速緩存的功能。

　　5）CP15：這里是用于控制MMU和Cache的，還可以控制別的器件，不同的系統(tǒng)配置下是不同的。

　　6）外部協(xié)處理器接口：ARM920T可以加入多達15個協(xié)處理器，如增加一個浮點運算處理器等。

　　7）AMBA總線接口：ARM920T內(nèi)部就是通過它和外部內(nèi)存及其他設(shè)備通信的。

　　不過不需要把所有的東西都弄得一清二楚。我們主要關(guān)注4個部分：①CPU內(nèi)核：和ARM920T內(nèi)部的其他部件一起工作，用來運行程序。包括操作系統(tǒng)內(nèi)核和應(yīng)用程序。②MMU：映射內(nèi)存，主要用于實現(xiàn)虛擬內(nèi)存，什么是虛擬內(nèi)存后面會介紹的。③Cache：緩存內(nèi)存中的指令和數(shù)據(jù)，它比內(nèi)存小很多但快很多，把內(nèi)存中的一部分內(nèi)容放在Cache里面，這樣可以加快程序的運行速度，后面也會詳細介紹的。④CP15：它在ARM920T內(nèi)部稱為協(xié)處理器，在這里是專門用于控制MMU和Cache的?？梢钥吹紸RM920T還能通過外部協(xié)處理器接口增加其他協(xié)處理器。

　　CPU內(nèi)核對應(yīng)于圖3-2中的ARM9TMDI。操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序都需要它執(zhí)行，所以我們寫操作系統(tǒng)內(nèi)核之前，必須先仔細了解它，以及ARM920T的其他組件。后面會重點研究ARM920T的程序員模型，即指令集、工作模式、寄存器等。

　　MMU對應(yīng)于圖3-2中的指令MMU、數(shù)據(jù)MMU。為什么有兩個MMU，通常情況下一個MMU不就夠了嗎？是的，大部分CPU確實只有一個MMU，然而這里有兩個，這是因為ARM920T內(nèi)部采用了哈佛架構(gòu)。哈佛架構(gòu)是一種將程序指令存儲和數(shù)據(jù)存儲分開的存儲器架構(gòu)。是一種并行體系架構(gòu)，指令和數(shù)據(jù)可以獨立存取，這樣就大大提高了程序的運行性能。

　　Cache對應(yīng)于圖3-2中的指令Cache、數(shù)據(jù)Cache，同樣也是因為哈佛架構(gòu)才會有兩個Cache。它們都是16KB。關(guān)于Cache的工作機制，后面會專門介紹，現(xiàn)在只要知道它是用來緩存內(nèi)存中的數(shù)據(jù)的，速度比內(nèi)存快很多。

　　CP15對應(yīng)于圖3-2中的CP15，稱為協(xié)處理器。在ARM920T中，CP15控制著MMU和Cache，比如我們要打開或者關(guān)閉MMU、改變地址映射關(guān)系、打開或者關(guān)閉Cache、鎖定Cache中的內(nèi)容、使Cache中的數(shù)據(jù)變?yōu)闊o效等。這些功能都將通過操作CP15協(xié)處理器而達到