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ARM9系列處理器是英國(guó)ARM公司設(shè)計(jì)的主流嵌入式處理器，主要包括ARM9TDMI和ARM9E-S等系列。本文主要介紹它們與ARM7TDMI的結(jié)構(gòu)以及性能比較。
以手機(jī)應(yīng)用為例，2G手機(jī)只需提供語(yǔ)音及簡(jiǎn)單的文字短信功能，而目前的2．5G和未來(lái)的3G手機(jī)除了提供這兩項(xiàng)功能外，還必須提供各種其他的應(yīng)用功能。主要包括：(1)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：手機(jī)上網(wǎng)、電子郵件及其他定位服務(wù)等功能；(2)PDA功能：含有用戶操作系統(tǒng)(Windows CE、Symbian OS、Linux等)及其他功能；(3)高性能功能：音頻播放器、視頻電話、手機(jī)游戲等。在2．5G和3G的應(yīng)用中ARM9已經(jīng)全面替代了ARM7。因?yàn)锳RM9的新特性能夠滿足各種新需求的同時(shí)減少產(chǎn)品研發(fā)時(shí)間并降低研發(fā)費(fèi)用。
新一代的ARM9處理器，通過全新的設(shè)計(jì)，采用了更多的晶體管，能夠達(dá)到兩倍以上于ARM7處理器的處理能力。這種處理能力的提高是通過增加時(shí)鐘頻率和減少指令執(zhí)行周期實(shí)現(xiàn)的。
1 時(shí)鐘頻率的提高
ARM7處理器采用3級(jí)流水線，而ARM9采用5級(jí)流水線，如圖1、2、3所示。增加的流水線設(shè)計(jì)提高了時(shí)鐘頻率和并行處理能力。5級(jí)流水線能夠?qū)⒚恳粋�(gè)指令處理分配到5個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，在每一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)有5個(gè)指令在執(zhí)行。在同樣的加工工藝下，ARM9TDMI處理器的時(shí)鐘頻率是ARM7TDMI的1．8～2．2倍。
圖1、圖2和圖3
2 指令周期的改進(jìn)
指令周期的改進(jìn)對(duì)于處理器性能的提高有很大的幫助。性能提高的幅度依賴于代碼執(zhí)行時(shí)指令的重疊，這實(shí)際上是程序本身的問題。對(duì)于采用最高級(jí)的語(yǔ)言，一般來(lái)說，性能的提高在30％左右。
2．1 loads 指令矛n stores指令
指令周期數(shù)的改進(jìn)最明顯的是loads指令和stores指令。從ARM7到ARM9這兩條指令的執(zhí)行時(shí)間減少了30％。指令周期的減少是由于ARM7和ARM9兩種處理器內(nèi)的兩個(gè)基本的微處理結(jié)構(gòu)不同所造成的。
(1)ARM9有獨(dú)立的指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口，允許處理器同時(shí)進(jìn)行取指和讀寫數(shù)據(jù)。這叫作改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)。而ARM7只有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口，它同時(shí)用來(lái)取指令和數(shù)據(jù)訪問。
(2)5級(jí)流水線引入了獨(dú)立的存儲(chǔ)器和寫回流水線，分別用來(lái)訪問存儲(chǔ)器和將結(jié)果寫回寄存器。
以上兩點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)周期完成loads指令和stores指令。
2．2 互鎖(interlocks)技術(shù)
當(dāng)指令需要的數(shù)據(jù)因?yàn)橐郧暗闹噶顩]有執(zhí)行完而沒有準(zhǔn)備好就會(huì)產(chǎn)生管道互鎖。當(dāng)管道互鎖發(fā)生時(shí)，硬件會(huì)停止這個(gè)指令的執(zhí)行，直到數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好為止。雖然這種技術(shù)會(huì)增加代碼執(zhí)行時(shí)間，但是為初期的設(shè)計(jì)者提供了巨大的方便。編譯器以及匯編程序員可以通過重新設(shè)計(jì)代碼的順序或者其他方法來(lái)減少管道互鎖的數(shù)量。
2．3 分枝指令
ARM9和ARM7的分枝指令周期是相同的。而且ARM9TDMI和ARM9E-S并沒有對(duì)分枝指令進(jìn)行預(yù)測(cè)處理。
