ARM9与ARM7的比较及优化

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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ARMv4T架构，典型处理器如ARM9TDMI和ARM922T；而ARM9E属于ARMv5TE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。


(表2.jpg)

ARM9E的DSP扩展指令如表2所示，主要包括三个类型。
1)单周期的16x16和32x16MAC操作，因为数字信号处理中甚少32位宽的操作数，在32位寄存器中可以对操作数分段运算显得非常有用。
2)对原有的算术运算指令增加了饱和处理扩展，所谓饱和运算，就是当运算结果大于一个上限或小于一个下限时，结果就等于上限或是下限；饱和处理在音频数据和视频像素处理中普遍使用，现在一条单周期饱和运算指令就能够完成普通RISC指令“运算-判断-取值”这一系列操作。
3)前导零(CLZ)运算指令，提高了归一化和浮点运算以及除法操作的性能。
以流行的MP3解码程序为例。整个解码过程中前端的三个步骤是运算量最大的，包括比特流的读入(解包)、霍夫曼译码还有反量化采样(逆变换)。ARM9E的DSP指令正好可以高效地完成这些运算。以44.1KHz@128kbps码率的MP3音乐文件为例，ARM7TDMI需要占用20MHz以上的资源，而ARM926EJ则只要小于10MHz的资源.

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