arm体系结构——arm简介

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1、ARMARM 体系结构体系结构ARMARM 简介简介文章导读LPC2000 系列 CPU 的核心是 ARM7，由于其 C 语言编译器已经考虑到了许多复杂的因素，所以作为初学者无需成为一个专家就可以使用 LPC2000。但是为了能够设计出可靠的应用系统和培养学习新技术的能力，作为初学者确实需要对 CPU 的运作机制及其独特的性能有更加深入的理解。在连载的文章中，我们将着眼于 ARM7 内核，处理器状态与模式，内部寄存器，程序状态寄存器，异常、中断及其向量表和存储系统的学习，这是成为一个应用工程师必备的基础。本章程序范例除非特别声明，否则处理器均处于 ARM 状态，执行字方式的 ARM 指令。1.

2、1 ARM 简介ARM 公司是一家知识产权（IP）供应商，它与一般的半导体公司最大的不同就是不制造芯片且不向终端用户出售芯片。而是通过转让设计方案，由合作伙伴生产出各具特色的芯片。ARM 公司利用这种双赢的伙伴关系迅速成为了全球性 RISC 微处理器标准的缔造者。这种模式也给用户带来巨大的好处，因为用户只需掌握了一种ARM 内核结构及其开发手段，就能够使用多家公司相同 ARM 内核的芯片。目前，总共有超过 100 家公司与 ARM 公司签订了技术使用许可协议，其中包括 Intel、IBM、LG、NEC、SONY、NXP（原PHILIPS）和 NS 这样的大公司。至于软件系统的合伙人，则包括微软

3、、升阳和 MRI 等一系列知名公司。ARM 架构是 ARM 公司面向市场设计的第一款低成本 RISC 微处理器，它具有极高的性价比和代码密度以及出色的实时中断响应和极低的功耗，并且占用硅片的面积极少，从而使它成为嵌入式系统的理想选择，因此应用范围非常广泛，比如手机、PDA、MP3/MP4和种类繁多的便携式消费产品中。2004 年 ARM 公司的合作伙伴生产了 12 亿片 ARM 处理器。1.1.1 RISC 结构特性ARM 内核采用精简指令集计算机（RISC）体系结构，它是一个小门数的计算机，其指令集和相关的译码机制比复杂指令集计算机（CISC）要简单得多，其目标就是设计出一套能在高时钟频率下

4、单周期执行，简单而有效地的指令集。RISC 的设计重点在于降低处理器中指令执行部件的硬件复杂度，这是因为软件比硬件更容易提供更大的灵活性和更高的智能化，因此 ARM 具备了非常典型的 RISC结构特性：（1）具有大量的通用寄存器；（2）通过装载/保存（load-store）结构使用独立的 load 和store 指令完成数据在寄存器和外部存储器之间的传送，处理器只处理寄存器中的数据，从而可以避免多次访问存储器；（3）寻址方式非常简单，所有装载/保存的地址都只由寄存器内容和指令域决定；（4）使用统一和固定长度的指令格式。此外，ARM 体系结构还提供：（1）每一条数据处理指令都可以同时包含算术逻辑

5、单元（ALU）的运算和移位处理，以实现对 ALU 和移位器的最大利用；（2）使用地址自动增加和自动减少的寻址方式优化程序中的循环处理；（3）load/store 指令可以批量传输数据，从而实现了最大数据吞吐量；（4）大多数 ARM 指令是可“条件执行”的，也就是说只有当某个特定条件满足时指令才会被执行。通过使用条件执行，可以减少指令的数目，从而改善程序的执行效率和提高代码密度。这些在基本 RISC 结构上增强的特性使 ARM 处理器在高性能、低代码规模、低功耗和小的硅片尺寸方面取得良好的平衡。从 1985 年 ARM1 诞生至今，ARM 指令集体系结构发生了巨大的改变，还在不断地完善和发展。为

6、了清楚地表达每个 ARM 应用实例所使用的指令集，ARM 公司定义了 7 种主要的 ARM 指令集体系结构版本，以版本号 V1V7 表示。1.1.2 常用 ARM 处理器系列ARM 公司开发了很多系列的 ARM 处理器核，应用比较多的是ARM7 系列、ARM9 系列、ARM10 系列、ARM11 系列、Intel 的 Xscale系列和 MPCore 系列，还有针对低端 8 位 MCU 市场最新推出的CortexM3 系列，其具有 32 位 CPU 的性能、8 位 MCU 的价格。1CortexTM-M3 处理器ARM CortexTM-M3 处理器是一个面向低成本，小管脚数目以及低功耗应用，

7、并且具有极高运算能力和中断响应能力的一个处理器内核。其问世于 2006 年，第一个推向市场的是美国LuminaryMicro 半导体公司的 LM3S 系列 ARM。CortexTM-M3 处理器采用了纯 Thumb2 指令的执行方式，使得这个具有 32 位高性能的 ARM 内核能够实现 8 位和 16 位处理器级数的代码存储密度，非常适用于那些只需几 K 存储器的 MCU 市场。在增强代码密度的同时，该处理器内核是 ARM 所设计的内核中最小的一个，其核心的门数只有 33K，在包含了必要的外设之后的门数也只为 60K。这使它的封装更为小型，成本更加低廉。在实现这些的同时，它还提供性能优异的中断

8、能力，通过其独特的寄存器管理并以硬件处理各种异常和中断的方式，最大程度的提高了中断响应和中断切换的速度。与相近价位的 ARM7 核相比，CortexTM-M3 采用了先进的ARMv7 架构，具有带分支预测功能的 3 级流水线，以 NMI 的方式取代了 FIQ/IRQ 的中断处理方式，其中断延迟最大只需 12 个周期（ARM7 为 2442 个周期） ，带睡眠模式，8 段 MPU（存储器保护单元） ，同时具有 1.25MIPS/MHz 的性能（ARM7 为 0.9MIPS/MHz） ，而且其功耗仅为 0.19mW/MHz (ARM7 为 0.28mW/MHz)，目前最便宜的基于CortexM3

9、内核的 ARM 单片机售价为 1 美元，由此可见 CortexM3系列是冲击低成本市场的利器，但性能比 8 位单片机更高。2CortexTM-R4 处理器CortexTM-R4 处理器是首款基于 ARM v7 架构的高级嵌入式处理器，其目标主要为产量巨大的高级嵌入式应用方案，如硬盘，喷墨式打印机，以及汽车安全系统等等。CortexTM-R4 处理器在节省成本与功耗上为开发者们带来了关键性的突破，在与其他处理器相近的芯片面积上提供了更为优越的性能。CortexTM-R4 为整合期间的可配置能力提供了真正的支持，通过这种能力，开发者可让处理器更加完美的符合应用方案的具体要求。CortexTM-R4

10、 采用了 90 纳米生产工艺，最高运行频率可达400MHz，该内核整体设计的侧重点在于效率和可配置性。ARM CortexTM-R4 处理器拥有复杂完善的流水线架构，该架构基于低耗费的超量（双行）8 段流水线，同时带有高级分支预测功能，从而实现了超过 1.6 MIPS/MHz 的运算速度。该处理器全面遵循 ARMv7 架构，同时还包含了更高代码密度的 Thumb-2 技术、硬件划分指令、经过优化的一级高速缓存和 TCM（紧密耦合存储器） ，存储器保护单元，动态分支预测，64 位的 AXI 主机端口，AXI 从机端口，VIC 端口等多种创新的技术和强大的功能。3CortexTM-R4F 处理器C

11、ortexTM-R4F 处理器在 CortexTM-R4 处理器的基础上加入了代码错误校正（ECC）技术、浮点运算单元（FPU）以及 DMA 综合配置的能力，增强了处理器在存储器保护单元，缓存，紧密耦合存储器，DMA 访问以及调试方面的能力。4CortexTM-A8 处理器CortexTM-A8 是 ARM 公司所开发的基于 ARMv7 架构的首款应用级处理器，同时也是 ARM 所开发的同类处理器中性能最好、能效最高的处理器。从 600MHz 开始到 1GHz 以上的运算能力使CortexTM-A8 能够轻易胜任那些要求功耗小于 300mW 的、耗电量最优化的移动电话器件；以及那些要求有 20

12、00 MIPS 执行速度的、性能最优化的消费者产品的应用。CortexTM-A8 是 ARM 公司首个超量处理器，其特色是运用了可增加代码密度和加强性能的技术、可支持多媒体以及信号处理能力的 NEONTM 技术、以及能够支持 JAVA 和其他文字代码语言（byte-code language）的提前和即时编译的Jazelle? RCT（Run-time Compilation Target 运行时编译目标代码）技术。ARM 最新的 Artisan? Advantage-CE 库以其先进的泄漏控制技术使 CortexTM-A8 处理器实现了优异的速度和能效。CortexTM-A8 具有多种先进的

13、功能特性，它是一个有序、双行、超标量的处理器内核，具有 13 级整数运算流水线，10 级 NEON媒体运算流水线，可对等待状态进行编程的专用的 2 级缓存，以及基于历史的全局分支预测；在功耗最优化的同时，实现了2.00MIPS/MHz 的性能。它完全兼容 ARMv7 架构，采用 Thumb2 指令集，带有为媒体数据处理优化的 NEON 信号处理能力，Jazelle RC JAVA 加速技术，并采用了 TrustZong 技术来保障数据的安全性。它带有经过优化的 1 级缓存，还集成了 2 级缓存。众多先进的技术使其适用于家电以及电子行业等各种高端的应用领域。5ARM7 系列ARM7TDMI 是

14、ARM 公司 1995 年推出的第一个处理器内核，是目前用量最多的一个内核。ARM7 系列包括ARM7TDMI、ARM7TDMIS、带有高速缓存处理器宏单元的 ARM720T 和扩充了 Jazelle 的 ARM7EJS。该系列处理器提供 Thumb 16 位压缩指令集和 EmbeddedICE JTAG 软件调试方式，适合应用于更大规模的SoC 设计中。其中 ARM720T 高速缓存处理宏单元还提供 8KB 缓存、读缓冲和具有内存管理功能的高性能处理器，支持 Linux 和Windows CE 等操作系统。6ARM9 系列ARM9 系列于 1997 年问世，ARM9 系列有 ARM9TDMI

15、、ARM920T和带有高速缓存处理器宏单元的 ARM940T。所有的 ARM9 系列处理器都具有 Thumb 压缩指令集和基于 EmbeddedICE JTAG 的软件调试方式。ARM9 系列兼容 ARM7 系列，而且能够比 ARM7 进行更加灵活的设计。 ARM926EJS 发布于 2000 年，ARM9E 系列为综合处理器，包括 ARM926EJS 和带有高速缓存处理器宏单元的ARM966ES、ARM946ES。该系列强化了数字信号处理（DSP）功能，可应用于需要 DSP 与微控制器结合使用的情况，将 Thumb 技术和DSP 都扩展到 ARM 指令集中，并具有 EmbeddedICE-R

16、T 逻辑（ARM 的基于 EmbeddedICE JTAG 软件调试的增强版本） ，更好地适应了实时系统的开发需要。同时其内核在 ARM9 处理器内核的基础上使用了Jazelle 增强技术，该技术支持一种新的 Java 操作状态，允许在硬件中执行 Java 字节码。7ARM10 系列ARM10 发布于 1999 年，ARM10 系列包括 ARM1020E 和ARM1022E 微处理器核。其核心在于使用向量浮点（VFP）单元 VFP10提供高性能的浮点解决方案，从而极大提高了处理器的整型和浮点运算性能，为用户界面的 2D 和 3D 图形引擎应用夯实基础，如视频游戏机和高性能打印机等。8ARM11 系列ARM1136JS 发布于 2003 年，是针对高性能和高能效的应用而设计的。ARM1136JS 是第一个执行 ARMv6 架构指令的处理器，它集成了一条具有独立的 load-store 和算术流水线的 8 级流水线。ARMv6 指令包含了针对媒体处理的单指令多数据流（SIMD）扩展，采用特殊的设计以改善视频处理性能。ARM113