一文读懂ARM技术架构

yangcsdong002 · 发表于 2022-7-30 09:02:41

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ARM的设计是全球大多数移动设备处理器的基础。各大手机芯片，包括高通骁龙、AppleA系列、华为麒麟芯片、三星Exynos，等它们的底层均是ARM的技术。

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1991 年ARM公司成立于英国剑桥，在成立后的那几年，ARM业绩平平，工程师们也人心惶惶，害怕随时都会失业。在这个情况下，ARM决定改变他们的产品策略——他们不再生产芯片，转而以授权的方式，将芯片设计方案转让给其他公司，即“Partnership”开放模式。
没想到正是这种模式，开创了属于ARM的全新时代。
ARM所采取的是IP(Intellectual Property，知识产权)授权的商业模式，收取一次性技术授权费用和版税提成。
具体来说，ARM有三种授权方式：处理器、POP以及架构授权。
处理器授权是指授权合作厂商使用ARM设计好的处理器，对方不能改变原有设计，但可以根据自己的需要调整产品的频率、功耗等。
POP(processor optimization pack，处理器优化包)授权是处理器授权的高级形式，ARM出售优化后的处理器给授权合作厂商，方便其在特定工艺下设计、生产出性能有保证的处理器。
架构授权是ARM会授权合作厂商使用自己的架构，方便其根据自己的需要来设计处理器(例如后来高通的Krait架构和苹果的Swift架构，就是在取得ARM的授权后设计完成的)。所以，授权费和版税就成了ARM的主要收入来源。除此之外，就是软件工具和技术支持服务的收入。

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ARM 微处理器的应用领域及特点
ARM处理器市场覆盖率最高、发展趋势广阔，基于ARM技术的32位微处理器，市场的占有率目前已达到80%。绝大多数IC制造商都推出了自己的ARM结构芯片。我国的中兴集成电路、大唐电讯、华为海思、中芯国际和上海华虹，以及国外的一些公司如德州仪器、意法半导体、Philips、Intel、Samsung等都推出了自己设计的基于ARM核的处理器。
工业控制领域：作为32 的RISC 架构，基于ARM 核的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展，ARM微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8 位/16 位微控制器提出了挑战。
无线通讯领域：目前已有超过85%的无线通讯设备采用了ARM 技术， ARM 以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。
网络设备：随着宽带技术的推广，采用ARM 技术的ADSL 芯片正逐步获得竞争优势。此外，ARM 在语音及视频处理上进行了优化，并获得广泛支持，也对DSP的应用领域提出了挑战。
消费类电子产品：ARM 技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用。
成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用ARM 技术。手机中的32位SIM 智能卡也采用了ARM技术。

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ARM处理器的特点：
1、体积小、低功耗、低成本、高性能;
2、支持Thumb(16 位)/ARM(32 位)双指令集，能很好的兼容8 位/16 位器件;
3、大量使用寄存器，指令执行速度更快;
4、大多数数据操作都在寄存器中完成;
5、寻址方式灵活简单，执行效率高;
6、指令长度固定;
ARM相关的几个重要概念
冯·诺依曼体系
结构模型：

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冯·诺依曼体系的特点：
1、数据与指令都存储在同一存储区中，取指令与取数据利用同一数据总线。
2、被早期大多数计算机所采用。
3、ARM7——冯诺依曼体系结构简单,但速度较慢。取指不能同时取数据。
哈佛体系
结构模型：

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结构特点：
1、程序存储器与数据存储器分开.
2、提供了较大的存储器带宽，各自有自己的总线。
3、适合于数字信号处理.
4、大多数DSP都是哈佛结构.
5、ARM9是哈佛结构，取指和取数在同一周期进行，提高速度，改进哈佛体系结构分成三个存储区：程序、数据、程序和数据共用。
CISC复杂指令集(Complex Instruction Set Computer)
特点：
1、具有大量的指令和寻址方式
2、8/2原则：80%的程序只使用20%的指令
3、大多数程序只使用少量的指令就能够运行。
4、CISC CPU 包含有丰富的单元电路，因而功能强、面积大、功耗大。
RISC精简指令集(Reduced Instruction Set Computer)
特点：
1、在通道中只包含最有用的指令,只提供简单的操作。
2、确保数据通道快速执行每一条指令。
3、Load-store结构—— 处理器只处理寄存器中的数据，load-store指令用来完成数据在寄存器和外部存储器之间的传送。
4、使CPU硬件结构设计变得更为简单， RISC CPU包含较少的单元电路，因而面积小、功耗低。
RISC与CISC主要差别
1、寄存器方面
RISC指令集：拥有更多的通用寄存器，每个可以存放数据和地址，寄存器为所有的数据操作提供快速的存储访问。
CISC指令集：多用于特定目的的专用寄存器。
2、LOAD –STORE结构方面
RISC结构：Cpu 仅处理寄存器中的数据，采用独立的、专用的LOAD –STORE 指令来完成数据在寄存器和外存之间的传送。(访存费时，处理和存储分开，可以反复的使用保存在寄存器中的数据，而避免多次访问外存)。
CISC结构：能直接处理存储器中的数据。
ARM存储格式
ARM存储器以8位为一个单元存储数据(一个字节)，每个存储单元分配一个存储地址。
ARM将存储器看作是从零地址开始的字节的线性组合。作为32位的微处理器，ARM体系结构所支持的最大寻址空间为4GB(232字节)。从零字节到三字节放置第一个存储的字数据，从第四个字节到第七个字节放置第二个存储的字数据，依次排列。32位的字数据要使用4个地址单元，16位半数据要使用2个地址单元。这样，就存在一个所存储的字或半字数据的排列顺序问题。ARM体系结构可以用两种方法存储字数据，称为大端格式和小端格式。
大端格式(big-endian)：字数据的高字节存储在低地址中，而字数据的低字节则存放在高地址中。

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小端格式(low-endian)：与大端存储格式相反。低地址中存放的是字数据的低字节，高地址存放的是字数据的高字节。缺省设置为小端格式。

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ARM体系结构
ARM系列产品表示

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ARM处理器的分类
基于指令集体系结构的分类：v1，v2，v5，v5TEJ，v6等
基于处理器内核的分类：ARM7，ARM9，ARM10，ARM11，StrongARM，XScale等
ARM体系结构版本
ARM架构自诞生至今,已经发生了很大的演变,至今已定义的版本有：V1版架构、V2版架构、V3版架构、V4版架构、V5版架构、V6版架构。
V1版架构
该版架构只在原型机ARM1出现过,其基本性能：
1、基本的数据处理指令(无乘法)
2、字节、半字和字的LOAD/STORE指令
3、转移指令，包括子程序调用及链接指令
4、软件中断指令
5、寻址空间：64M字节(26)
V2版架构
该版架构对V1版进行了扩展,如ARM2架构,增加了以下功能：
1、乘法和乘加指令
2、支持协处理器操作指令
3、快速中断模式
4、SWP/SWPB基本存储器与寄存器交换指令
5、寻址空间：64M字节
V3版架构
1、把寻址空间增至32位(4G字节),
2、增加了当前程序状态寄存器CPSR和程序状态保存寄存器SPSR以便于异常的处理。
3、增加了中止和未定义二种处理器模式。
4、ARM6就采用该版架构。
5、指令集变化：增加了MRS/MSR指令,以访问新增的CPSR/SPSR寄存器;增加了从异常处理返回的指令功能。
V4版架构
V4版架构是目前应用最广的ARM体系结构,对V3版架构进行了进一步扩充,有的还引进了16位的Thumb指令集,使ARM使用更加灵活。ARM7、ARM8、ARM9和StrongARM都采用该版架构。
指令集中增加了以下功能：
1、有符号、无符号的半字和有符号字节的Load/Store指令。
2、增加了16位Thumb指令集
3、完善了软件中断SWI指令的功能
4、增加了处理器的特权模式。
V5版架构
这是最近几年推出ARM架构,在V4版基本上增加了一些新的指令,ARM10和XScale都采用该版架构,这些新增指令有：
1、带有链接和交换的转移BLX指令
2、计数前导零CLZ指令
3、BKPT软件断点指令
4、增加了信号处理指令
5、为协处理器增加更多可选择的指令
v6版架构
1、适合使用电池供电的便携式设备
2、增加了 SIMD功能扩展，提高了嵌入式应用系统的音频、视频处理能力。
ARM芯片选择的一般原则
从应用的角度，对在选择ARM芯片时所应考虑的主要因素有：
1、ARM芯核：如果希望使用WinCE或Linux等操作系统以减少软件开发时间，就需要选择ARM720T以上带有MMU功能的ARM芯片.
2、系统时钟控制器：系统时钟决定了ARM芯片的处理速度。ARM7的处理速度为0.9MIPS/MHz,常见的ARM7芯片系统主时钟为20MHz-133MHz,ARM9的处理速度为1.1MIPS/MHz,常见的ARM9的系统主时钟为100MHz-233MHz,ARM10最高可以达到700MHz。
3、内部存储器容量：在不需要大容量存储器时，可以考虑选用有内置存储器的ARM芯片。
4、GPIO数量：在某些芯片供应商提供的说明书中，往往申明的是最大可能的GPIO数量，但是有许多引脚是和地址线、数据线、串口线等引脚复用的。这样在系统设计时需要计算实际可以使用的GPIO数量。
5、USB接口：许多ARM芯片内置有USB控制器，有些芯片甚至同时有USB Host和USB Slave控制器。
6、中断控制器：ARM内核只提供快速中断(FIQ)和标准中断(IRQ)两个中断向量。但各个半导体厂家在设计芯片时加入了自己不同的中断控制器，以便支持诸如串行口、外部中断、时钟中断等硬件中断。外部中断控制是选择芯片必须考虑的重要因素，合理的外部中断设计可以很大程度的减少任务调度的工作量。
7、LCD控制器：些ARM芯片内置LCD控制器，有的甚至内置64K彩色TFT LCD控制器。在设计PDA和手持式显示记录设备时，选用内置LCD控制器的ARM芯片较为适宜。
8、扩展总线：大部分ARM芯片具有外部SDRAM和SRAM扩展接口，不同的ARM芯片可以扩展的芯片数量即片选线数量不同，外部数据总线有8位、16位或32位。某些特殊应用的ARM芯片如德国Micronas的PUC3030A没有外部扩展功能。
9、封装：主要的封装有QFP、TQFP、PQFP、LQFP、BGA、LBGA等形式，BGA封装具有芯片面积小的特点，可以减少PCB板的面积，但是需要专用的焊接设备，无法手工焊接。另外一般BGA封装的ARM芯片无法用双面板完成PCB布线，需要多层PCB板布线。
Thumb技术
ARM的RISC体系结构的发展中已经提供了低功耗、小体积、高性能的方案。而为了解决代码长度的问题，ARM体系结构又增加了T变种，开发了一种新的指令体系，这就是Thumb指令集，它是ARM技术的一大特色。
Thumb是ARM体系结构的扩展。它有从标准32位ARM指令集抽出来的36条指令格式，可以重新编成16位的操作码。这能带来很高的代码密度。
支持Thumb的ARM体系结构的处理器状态可以方便的切换、运行到Thumb状态，在该状态下指令集是16位的Thumb指令集。
与ARM指令集相比.Thumb指令集具有以下局限：
1、完成相同的操作，Thumb指令通常需要更多的指令，因此在对系统运行时间要求苛刻的应用场合ARM指令集更为适合;
2、Thumb指令集没有包含进行异常处理时需要的一些指令，因此在异常中断时，还是需要使用ARM指令，这种限制决定了Thumb指令需要和ARM指令配合使用。