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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