一文讀懂ARM技術架構

“Hello world，I am Arm”，1985年4月26日，Arm第一顆芯片正式問世！自此Arm真的給了世界一個大大的問候，此后的35年里，Arm的芯片如同“蒲公英的種子”跨過了大洋彼岸，將花開在了世界各處。長達數幾十年Arm一直處于手機處理器的領主地位。

ARM的設計是全球大多數移動設備處理器的基礎。各大手機芯片，包括高通驍龍、Apple A系列、華為麒麟芯片、三星Exynos，等它們的底層均是ARM的技術。

1991 年ARM 公司成立于英國劍橋，在成立后的那幾年，ARM業績平平，工程師們也人心惶惶，害怕隨時都會失業。在這個情況下，ARM決定改變他們的產品策略——他們不再生產芯片，轉而以授權的方式，將芯片設計方案轉讓給其他公司，即“Partnership”開放模式。

沒想到正是這種模式，開創了屬于ARM的全新時代。

ARM所采取的是IP(Intellectual Property，知識產權)授權的商業模式，收取一次性技術授權費用和版稅提成。

具體來說，ARM有三種授權方式：處理器、POP以及架構授權。

處理器授權是指授權合作廠商使用ARM設計好的處理器，對方不能改變原有設計，但可以根據自己的需要調整產品的頻率、功耗等。

POP(processor optimization pack，處理器優化包)授權是處理器授權的高級形式， ARM出售優化后的處理器給授權合作廠商，方便其在特定工藝下設計、生產出性能有保證的處理器。

架構授權是ARM會授權合作廠商使用自己的架構，方便其根據自己的需要來設計處理器(例如后來高通的Krait架構和蘋果的Swift架構，就是在取得ARM的授權后設計完成的)。所以，授權費和版稅就成了ARM的主要收入來源。除此之外，就是軟件工具和技術支持服務的收入。

ARM 微處理器的應用領域及特點

ARM處理器市場覆蓋率最高、發展趨勢廣闊，基于ARM技術的32位微處理器，市場的占有率目前已達到80%。絕大多數IC制造商都推出了自己的ARM結構芯片。我國的中興集成電路、大唐電訊、華為海思、中芯國際和上海華虹，以及國外的一些公司如德州儀器、意法半導體、Philips、Intel、Samsung等都推出了自己設計的基于ARM核的處理器。

工業控制領域：作為32 的RISC 架構，基于ARM 核的微控制器芯片不但占據了高端微控制器市場的大部分市場份額，同時也逐漸向低端微控制器應用領域擴展，ARM 微控制器的低功耗、高性價比，向傳統的8 位/16 位微控制器提出了挑戰。

無線通訊領域：目前已有超過85%的無線通訊設備采用了ARM 技術， ARM 以其高性能和低成本，在該領域的地位日益鞏固。

網絡設備：隨著寬帶技術的推廣，采用ARM 技術的ADSL 芯片正逐步獲得競爭優勢。此外，ARM 在語音及視頻處理上進行了優化，并獲得廣泛支持，也對DSP 的應用領域提出了挑戰。

消費類電子產品：ARM 技術在目前流行的數字音頻播放器、數字機頂盒和游戲機中得到廣泛采用。

成像和安全產品：現在流行的數碼相機和打印機中絕大部分采用ARM 技術。手機中的32位SIM 智能卡也采用了ARM 技術。

ARM處理器的特點：

1、體積小、低功耗、低成本、高性能;

2、支持Thumb(16 位)/ARM(32 位)雙指令集，能很好的兼容8 位/16 位器件;

3、大量使用寄存器，指令執行速度更快;

4、大多數數據操作都在寄存器中完成;

5、尋址方式靈活簡單，執行效率高;

6、指令長度固定;

ARM相關的幾個重要概念

馮·諾依曼體系

結構模型：

馮·諾依曼體系的特點：

1、數據與指令都存儲在同一存儲區中，取指令與取數據利用同一數據總線。

2、被早期大多數計算機所采用。

3、ARM7——馮諾依曼體系結構簡單,但速度較慢。取指不能同時取數據。

哈佛體系

結構模型：

結構特點：

1、程序存儲器與數據存儲器分開.

2、提供了較大的存儲器帶寬，各自有自己的總線。

3、適合于數字信號處理.

4、大多數DSP都是哈佛結構.

5、ARM9是哈佛結構，取指和取數在同一周期進行，提高速度，改進哈佛體系結構分成三個存儲區：程序、數據、程序和數據共用。

CISC復雜指令集(Complex Instruction Set Computer)

特點：

1、具有大量的指令和尋址方式

2、8/2原則：80%的程序只使用20%的指令

3、大多數程序只使用少量的指令就能夠運行。

4、CISC CPU 包含有豐富的單元電路，因而功能強、面積大、功耗大。

RISC精簡指令集(Reduced Instruction Set Computer)

特點：

1、在通道中只包含最有用的指令,只提供簡單的操作。

2、確保數據通道快速執行每一條指令。

3、Load-store結構—— 處理器只處理寄存器中的數據，load-store指令用來完成數據在寄存器和外部存儲器之間的傳送。

4、使CPU硬件結構設計變得更為簡單， RISC CPU包含較少的單元電路，因而面積小、功耗低。

RISC與CISC主要差別

1、寄存器方面

RISC指令集：擁有更多的通用寄存器，每個可以存放數據和地址，寄存器為所有的數據操作提供快速的存儲訪問。

CISC指令集：多用于特定目的的專用寄存器。

2、LOAD –STORE結構方面

RISC結構：Cpu 僅處理寄存器中的數據，采用獨立的、專用的LOAD –STORE 指令來完成數據在寄存器和外存之間的傳送。(訪存費時，處理和存儲分開，可以反復的使用保存在寄存器中的數據，而避免多次訪問外存)。

CISC結構：能直接處理存儲器中的數據。

ARM存儲格式

ARM存儲器以8位為一個單元存儲數據(一個字節)，每個存儲單元分配一個存儲地址。

ARM將存儲器看作是從零地址開始的字節的線性組合。作為32位的微處理器，ARM體系結構所支持的最大尋址空間為4GB(232字節)。從零字節到三字節放置第一個存儲的字數據，從第四個字節到第七個字節放置第二個存儲的字數據，依次排列。32位的字數據要使用4個地址單元，16位半數據要使用2個地址單元。這樣，就存在一個所存儲的字或半字數據的排列順序問題。ARM體系結構可以用兩種方法存儲字數據，稱為大端格式和小端格式。

大端格式(big-endian)：字數據的高字節存儲在低地址中，而字數據的低字節則存放在高地址中。

小端格式(low-endian)：與大端存儲格式相反。低地址中存放的是字數據的低字節，高地址存放的是字數據的高字節。缺省設置為小端格式。

ARM體系結構

ARM系列產品表示

ARM處理器的分類

基于指令集體系結構的分類：v1，v2，v5，v5TEJ，v6等

基于處理器內核的分類：ARM7，ARM9，ARM10，ARM11，StrongARM，XScale等

ARM體系結構版本

ARM架構自誕生至今,已經發生了很大的演變,至今已定義的版本有：V1版架構、V2版架構、V3版架構、V4版架構、V5版架構、V6版架構。

V1版架構

該版架構只在原型機ARM1出現過,其基本性能：

1、基本的數據處理指令(無乘法)

2、字節、半字和字的LOAD/STORE指令

3、轉移指令，包括子程序調用及鏈接指令

4、軟件中斷指令

5、尋址空間：64M字節(26)

V2版架構

該版架構對V1版進行了擴展,如ARM2架構,增加了以下功能：

1、乘法和乘加指令

2、支持協處理器操作指令

3、快速中斷模式

4、SWP/SWPB基本存儲器與寄存器交換指令

5、尋址空間：64M字節

V3版架構

1、把尋址空間增至32位(4G字節),

2、增加了當前程序狀態寄存器CPSR和程序狀態保存寄存器SPSR以便于異常的處理。

3、增加了中止和未定義二種處理器模式。

4、ARM6就采用該版架構。

5、指令集變化：增加了MRS/MSR指令,以訪問新增的CPSR/SPSR寄存器;增加了從異常處理返回的指令功能。

V4版架構

V4版架構是目前應用最廣的ARM體系結構,對V3版架構進行了進一步擴充,有的還引進了16位的Thumb指令集,使ARM使用更加靈活。ARM7、ARM8、ARM9和StrongARM都采用該版架構。

指令集中增加了以下功能：

1、有符號、無符號的半字和有符號字節的Load/Store指令。

2、增加了16位Thumb指令集

3、完善了軟件中斷SWI指令的功能

4、增加了處理器的特權模式。

V5版架構

這是最近幾年推出ARM架構,在V4版基本上增加了一些新的指令,ARM10和XScale都采用該版架構,這些新增指令有：

1、帶有鏈接和交換的轉移BLX指令

2、計數前導零CLZ指令

3、BKPT軟件斷點指令

4、增加了信號處理指令

5、為協處理器增加更多可選擇的指令

v6版架構

1、適合使用電池供電的便攜式設備

2、增加了 SIMD功能擴展，提高了嵌入式應用系統的音頻、視頻處理能力。

ARM芯片選擇的一般原則

從應用的角度，對在選擇ARM芯片時所應考慮的主要因素有：

1、ARM芯核：如果希望使用WinCE或Linux等操作系統以減少軟件開發時間，就需要選擇ARM720T以上帶有MMU功能的ARM芯片.

2、系統時鐘控制器：系統時鐘決定了ARM芯片的處理速度。ARM7的處理速度為0.9MIPS/MHz,常見的ARM7芯片系統主時鐘為20MHz-133MHz,ARM9的處理速度為1.1MIPS/MHz,常見的ARM9的系統主時鐘為100MHz-233MHz, ARM10最高可以達到700MHz。

3、內部存儲器容量：在不需要大容量存儲器時，可以考慮選用有內置存儲器的ARM芯片。

4、GPIO數量：在某些芯片供應商提供的說明書中，往往申明的是最大可能的GPIO數量，但是有許多引腳是和地址線、數據線、串口線等引腳復用的。這樣在系統設計時需要計算實際可以使用的GPIO數量。

5、USB接口：許多ARM芯片內置有USB控制器，有些芯片甚至同時有USB Host和USB Slave控制器。

6、中斷控制器：ARM內核只提供快速中斷(FIQ)和標準中斷(IRQ)兩個中斷向量。但各個半導體廠家在設計芯片時加入了自己不同的中斷控制器，以便支持諸如串行口、外部中斷、時鐘中斷等硬件中斷。外部中斷控制是選擇芯片必須考慮的重要因素，合理的外部中斷設計可以很大程度的減少任務調度的工作量。

7、LCD控制器：些ARM芯片內置LCD控制器，有的甚至內置64K彩色TFT LCD控制器。在設計PDA和手持式顯示記錄設備時，選用內置LCD控制器的ARM芯片較為適宜。

8、擴展總線：大部分ARM芯片具有外部SDRAM和SRAM擴展接口，不同的ARM芯片可以擴展的芯片數量即片選線數量不同，外部數據總線有8位、16位或32位。某些特殊應用的ARM芯片如德國Micronas的PUC3030A沒有外部擴展功能。

9、封裝：主要的封裝有QFP、TQFP、PQFP、LQFP、BGA、LBGA等形式，BGA封裝具有芯片面積小的特點，可以減少PCB板的面積，但是需要專用的焊接設備，無法手工焊接。另外一般BGA封裝的ARM芯片無法用雙面板完成PCB布線，需要多層PCB板布線。

Thumb技術

ARM的RISC體系結構的發展中已經提供了低功耗、小體積、高性能的方案。而為了解決代碼長度的問題，ARM體系結構又增加了T變種，開發了一種新的指令體系，這就是Thumb指令集，它是ARM技術的一大特色。

Thumb是ARM體系結構的擴展。它有從標準32位ARM指令集抽出來的36條指令格式，可以重新編成16位的操作碼。這能帶來很高的代碼密度。

支持Thumb的ARM體系結構的處理器狀態可以方便的切換、運行到Thumb狀態，在該狀態下指令集是16位的Thumb指令集。

與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，因此在對系統運行時間要求苛刻的應用場合ARM指令集更為適合;

2、Thumb指令集沒有包含進行異常處理時需要的一些指令，因此在異常中斷時，還是需要使用ARM指令，這種限制決定了Thumb指令需要和ARM指令配合使用。