ARM系统架构

ARM系统架构

一．ARM概要

ARM架构，曾称进阶精简指令集机器（Advanced RISC Machine）更早称作Acorn RISC Machine，是一个32位精简指令集（RISC）处理器架构。还有基于ARM设计的派生产品，重要产品包括Marvell的XScale架构和德州仪器的OMAP系列。

ARM家族占比所有32位嵌入式处理器的75%，成为占全世界最多数的32位架构。

ARM处理器广泛使用在嵌入式系统设计，低耗电节能，非常适用移动通讯领域。消费性电子产品，例如可携式装置（PDA、移动电话、多媒体播放器、掌上型电子游戏，和计算机），电脑外设（硬盘、桌上型路由器），甚至导弹的弹载计算机等军用设施。

ARM架构包含了下述RISC特性：

读取/储存 架构

不支援地址不对齐内存存取（ARMv6内核现已支持）

正交指令集（任意存取指令可以任意的寻址方式存取数据Orthogonal instruction set）

大量的16 × 32-bit 寄存器阵列（register file）

固定的32 bits 操作码（opcode）长度，降低编码数量所产生的耗费，减轻解码和流水线化的负担。

大多均为一个CPU周期执行。

为了补强这种简单的设计方式，相较于同时期的处理器如Intel 80286和Motorola 68020，还多加了一些特殊设计：

大部分指令可以条件式地执行，降低在分支时产生的负重，弥补分支预测器（branch predictor）的不足。

算数指令只会在要求时更改条件编码（condition code）

32-bit筒型位移器（barrel shifter）可用来执行大部分的算数指令和寻址计算而不会损失效能

强大的索引寻址模式（addressing mode）

精简但快速的双优先级中断子系统，具有可切换的暂存器组

有个附加在ARM设计中好玩的东西，就是使用一个4-bit 条件编码 在每个指令前头，表示每支指令的执行是否为有条件式的

这大大的减低了在内存存取指令时用到的编码位，换句话说，它避免在对小型叙述如if做分支指令。有个标准的范例引用欧几里得的最大公因子算法：

在C编程语言中，循环为：

int gcd (int i, int j)

{

while (i != j)

if (i > j)

i -= j;

else

j -= i;

return i;

}

在ARM 汇编语言中，循环为：

loop CMP Ri, Rj ; 设定条件为 "NE"(不等於) if (i != j)

; "GT"(大於) if (i > j),

; or "LT"(小於) if (i < j)

SUBGT Ri, Ri, Rj ; 若 "GT"(大於), i = i-j;

SUBLT Rj, Rj, Ri ; 若 "LT"(小於), j = j-i;

BNE loop ; 若 "NE"(不等於)，则继续回圈

这避开了then和else子句之间的分支。

另一项指令集的特色是，能将位移（shift）和回转（rotate）等功能并成"资料处理"型的指令（算数、逻辑、和暂存器之间的搬移），因此举例来说，一个C语言的叙述

a += (j << 2);

在ARM之下，可简化成只需一个word和一个cycle即可完成的指令

ADD Ra, Ra, Rj, LSL #2

这结果可让一般的ARM程式变得更加紧密，而不需经常使用内存存取，流水线也可以更有效地使用。即使在ARM以一般认定为慢速的速度下执行，与更复杂的CPU设计相比它仍能执行得不错。

ARM处理器还有一些在其他RISC的架构所不常见到的特色，例如PC-相对寻址（的确在ARM上PC为16个暂存器的其中一个）以及 前递加或后递加的寻址模式。

另外一些注意事项是 ARM 处理器会随着时间，不断地增加它的指令集。某些早期的 ARM 处理器（比ARM7TDMI更早），譬如可能并未具备指令可以读取两 Bytes 的数量，因此，严格来讲，对这些处理器产生程式码时，就不可能处理如 C 语言物件中使用 "volatile short" 的资料型态。

ARM7 和大多数较早的设计具备三阶段的流水线化（Pipeline）：提取指令、解码，并执行。较高效能的设计，如 ARM9，则有五阶段的流水线化。提高效能的额外方式，包含一颗较快的加法器，和更广的分支预测逻辑线路。

这个架构使用“协处理器”提供一种非侵入式的方法来延伸指令集，可透过软件下 MCR、MRC、MRRC和MCRR 等指令来对协处理器寻址。协处理器空间逻辑上通常分成16个协处理器，编号分别从 0 至 15 ，而第15号协处理器（CP15）是保留用作某些常用的控制功能，像是使用高速缓存和记忆管理单元运算（若包含于处理器时）。

在 ARM 架构的机器中，周边装置连接处理器的方式，通常透过将装置的实体暂存器对应到 ARM 的内存空间、协处理器空间，或是连接到另外依序接上处理器的装置（如总线）。协处理器的存取延迟较低，所以有些周边装置（例如 XScale 中断控制器）会设计成可透过不同方式存取（透过内存和协处理器）。

二．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。

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：

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：

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。

三．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。

四．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。

五．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。

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。

六．ARM体系结构

ARM系列产品表示

七．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。

八．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。

九．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。

十．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。