ARM体系结构研讨(一)

一、导言

跟着近两年各种智能手机、平板电脑、车载电子等各种消

费品的蓬勃开展，ARM体系结构的处理器，作为这些消费品的处理中心，也得到了长足的前进，乃至打败了Intel，在移动嵌入式范畴名列前茅。本文将首要介绍ARM体系结构的开展进程，然后将侧重整理其最先进的Cortex系列处理器的体系结构，以及这些结构关于各种软件渠道如JAVA、.NET的支撑等。

二、ARM体系结构的前史即其新进展

2.1ARM体系结构商场前景

来自英国的ARM（Acorn RISC Machine）公司尽管以ARM处理器著称，可是它共同的商业模式却决议了ARM公司自身并不出产处理器，这点与从研制到出产到出货笔直整合的Intel公司有很大不同，ARM公司采纳的是授权与提成的商业模式（Intellectual Property Core简写IP-Core）：公司自己研制处理器体系架构，然后将这套架构的知识产权有偿授权给处理器制造厂商如高通、三星等半导体厂商，这些厂商造出的每一块运用ARM体系结构的芯片只需向ARM公司交给低价的提成即可。因为这种立异的商业模式和低价的本钱，加上ARM体系的低功耗特色，让ARM体系在对价格灵敏和续航才能灵敏的32位嵌入式电子消费品商场如虎添翼，根本占有了32位嵌入式消费平100%的商场份额。开展到现在，ARM芯片乃至在对运算速度要求更高的的上网本、平板电脑也大有跟Intel的ATOM处理器一较高低的实力。近来红得发紫的苹果iPad便是选用的ARM深度定制的一款处理器架构，其它还有许多运转着Android体系的平板产品、智能手机产品等也都选用ARM体系结构的处理中心。由此可见ARM体系结构在移动电子消费品商场无与伦比的优势。

2.2ARM体系开展前史

1985——诞生了第一颗ARM芯片，ARM1 Sample版。

1986——ARM2，具有32位数据总线，26位地址总线，16个32位寄存器的处理器完结产能量产。

20世纪80年代晚期——苹果电脑开端与Acorn协作开发新版的ARM中心。

1991——与苹果的协作造就了ARM6，并进入了苹果的Apple Newton PDA和Acorn Risc-PC成为了它们的处理器。在该年正式成立了ARM公司，作为Acorn的一家子公司。

1991——至今ARM的产品现已横贯使用程序处理器，嵌入式处理器，专家体系等各种核算范畴，成为了移动电子消费品商场、杂乱工业操控使用的首选处理器体系架构。

2.3ARM产品系列简介

2.3.1经典ARM处理器

这一系列包含的处理器架构有：

lARM11系列——根据ARMv6体系结构的高功能处理器

lARM9系列——根据ARMv5体系结构的常用处理器

lARM7系列——面向一般使用的经典处理器

该系列适用于那些期望在新使用中寻求安稳的产品。这些处理器供给了许多的特性、杰出的成效和规模广泛的操作才能，适用于本钱灵敏型解决方案。这些处理器每年都有数十亿的发货量，因而可保证设计者取得最广泛的体系和资源，然后最大极限地削减集成过程中呈现的问题并缩短上市时刻。

2.3.2ARM Cortex嵌入式处理器

这一系列的处理器架构有：

lCortex-R系列——面向实时使用的杰出功能

lCortex-M系列——面向具有确定性的微操控器使用的本钱灵敏型解决方案

Cortex-M系列处理器首要是针对微操控器范畴开发的，在该范畴中，既需进行快速且具有高确定性的中止办理，又需将门数和或许功耗操控在最低；而Cortex-R系列处理器的开发则面向深层嵌入式实时使用，对低功耗、杰出的中止行为、杰出功能以及与现有渠道的高兼容性这些需求进行了平衡考虑。

2.3.3ARM Cortex使用程序处理器

这一系列包含的处理器架构只要

lCortex-A系列-开放式操作体系的高功能处理器

Cortex-A在高档工艺节点中可完结高达2GHZ+的主频，也正是因为如此杰出的功能，该处理器架构可用于下一代Internet设备，并且该系列供给单核和多核多种品种，并且供给NEON多媒体处理模块的四种挑选和高档浮点履行单元和处理单元。

2.3.4ARM专家处理器

这一系列包含的处理器架构只要

lSecurCore -面向高安全性使用的处理器

lFPGA内核-面向FPGA的处理器

该系列的处理器首要是为了满意一些特定商场的严苛需求。SecurCore能够用于手机SIM卡和其他辨认使用，集成了多种既能够为用户供给杰出功能，又能够检测和防止安全进犯的技能。

2.4ARM指令集

谈到ARM的指令体系，必须先清晰一点的便是，ARM体系结构不同于x86，它是RISC（Reduced Instruction Set Computer）体系结构。所以，在ARM指令体系中，各指令相对来说愈加规整、对称、简略。并且指令小于100条，根本寻址方法只要2~3中，并且指令字长都比较一向，并都在单个时钟周期内完结，以便于流水操作。在ARM7中选用的是3级流水线：取值、译码、履行。而ARM9和ARM10则是五级流水线和六级流水线。ARM的访存选用的都是LOAD-STORE结构，这样能够把每条指令的履行时刻都均匀化，有助于高效的流水线的完结，选用这种结构也就一起意味着指令都要在寄存器间进行操作，所以ARM体系中有很多的寄存器（不少于32个）。

2.4.1ARM指令与Thumb指令

ARM指令集能够是32位长的ARM指令，也能够是16位长的Thumb指令，这首要是为了兼容数据总线为16位的使用体系。一切的Thumb指令都有对应的ARM指令，Thumb仅仅ARM的一个真子集，并且Thumb指令放弃了ARM指令集的一些特性，如大多数Thumb指令都是无条件履行的，而简直一切的ARM指令都是有条件履行的，又如大多数的Thumb指令因为长度有限，意图寄存器是源寄存器中的一个，这跟x86的汇编指令集类似。