ARM系列處理器體系結構

ARM是Advanced RISC Machines的縮寫(xiě)，顧名思義，ARM處理器自然也是一種典型的精簡(jiǎn)指令集處理器。

2、ARM處理器當前只要有6個(gè)系列產(chǎn)品：ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、SecurCore及最新的ARM11系列。進(jìn)一步的產(chǎn)品則來(lái)自于A(yíng)RM公司的合作伙伴，如Intel公司的StrongARM產(chǎn)品和XScale微體系結構等，不過(guò)Intel公司已經(jīng)于2006年將該架構出售給Marvell Technology Group Ltd了。ARM公司還把ARM IP Core提供給其它芯片設計公司用于設計ARM+DSP、ARM+FPGA等SOC結構的芯片

3、在A(yíng)RM處理器內核中有多個(gè)功能模塊可供生產(chǎn)廠(chǎng)商根據不同用戶(hù)的不同要求來(lái)配置生產(chǎn)。這些模塊分別用T、D、M、I、E、J、S等來(lái)表示，這些模塊一般從處理器的內核版本上可以區分出來(lái)。

T：表示支持Thumb指令，說(shuō)明該內核可從16位Thumb指令集擴充到32位ARM指令集。

D：表示支持Debug，說(shuō)明該內核中放置了用于調試的結構，通常它為一個(gè)邊界掃描鏈JTAG，可使CPU進(jìn)入調試模式，從而方便地進(jìn)行斷點(diǎn)設置、單步調試。

M：表示Multiplier，說(shuō)明處理器內部帶有8位乘法器。

I：表示Embedded ICE(內置仿真器) Logic，用于實(shí)現斷點(diǎn)觀(guān)測及變量觀(guān)測的邏輯電路部分，其中的TAP控制器可接入到邊界掃描鏈。

E：表示DSP Enhancement，即增加了前導零處理和飽和運算等一些常用的DSP運算指令，極大地改善音視頻處理程序的性能。

J：表示Jazelle DXB(Direct Bytecode eXecution)，這是ARM公司推出的Java加速解決方案。Jazelle不是一個(gè)簡(jiǎn)單的加速硬件，它是融入于處理器流水線(xiàn)之中的一項專(zhuān)門(mén)針對Java指令執行的硬件功能，使得CPU可以直接接收一部分Java指令，并加以譯碼執行。

S：表示可綜合的軟核softcore。

4、ARM7處理器：ARM7處理器采用了ARMV4T(馮-諾依曼)體系結構，這種體系結構將程序指令存儲器和數據存儲器合并在一起。主要特點(diǎn)就是程序和數據共用一個(gè)存儲空間，程序指令存儲地址和數據存儲地址指向同一個(gè)存儲器的不同物理位置，采用單一的地址和數據總線(xiàn)，程序指令和數據的寬度相同。這樣，處理器在執行指令時(shí)，必須先從存儲器中取出指令進(jìn)行譯碼，再取操作數執行運算?？傮w來(lái)說(shuō)，ARM7體系結構具有三級流水線(xiàn)、空間統一的指令與數據Cache、平均功耗為0.6mW/MHz、時(shí)鐘速度為66MHz、每條指令平均執行1.9個(gè)時(shí)鐘周期等特性。其中的ARM710、ARM720和AEM740為內帶Cache的ARM核。目前主流的ARM內核是ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM7EJ-S、ARM720T。通常來(lái)說(shuō)，前兩三年大部分手機基帶部分的應用處理器基本上都以ARM7為主。還有很多的通信模塊，如CDMA模塊、GPRS模塊和GPS模塊中都含有ARM7處理器。

5、ARM9、ARM9E處理器：ARM9處理器采用ARMV4T(哈佛)體系結構。這種體系結構是一種將程序指令存儲器和數據存儲器分開(kāi)的存儲器結構，是一種并行體系結構。其主要特點(diǎn)是程序和數據存儲在不同的存儲空間中，即程序存儲器和數據存儲器。它們是兩個(gè)相互獨立的存儲器，每個(gè)存儲器獨立編址、獨立訪(fǎng)問(wèn)。與兩個(gè)存儲器相對應的是系統的4套總線(xiàn)，程序的數據總線(xiàn)和地址總線(xiàn)，數據的數據總線(xiàn)和地址總線(xiàn)。這種分離的程序總線(xiàn)和數據總線(xiàn)可允許在一個(gè)機器周期內同時(shí)獲取指令字和操作數，從而提高了執行速度，使數據的吞吐量提高了已一倍。又由于程序和數據存儲器在兩個(gè)分開(kāi)的物理空間中，因而取指和執行能完全重疊。ARM采用五級流水線(xiàn)及分離的Cache結構，平均功耗為0.7mW/MHz。時(shí)鐘速度為120~200MHz，每條指令平均執行1.5個(gè)時(shí)鐘周期。其中，ARM920、ARM940和ARM9E處理器均為含有Cache的CPU內核，性能為132MIPS(120MHz時(shí)鐘，3.3V供電)或200MIPS(200MHz時(shí)鐘)。常用于無(wú)線(xiàn)設備、儀器儀表、聯(lián)網(wǎng)設備、機頂盒設備、高端打印機以及數碼相機等應用中。ARM9E內核在A(yíng)RM內核的基礎上增加了緊密耦合存儲器的TCM及DSP部分。目前主流的ARM9內核是ARM920T、ARM922T、ARM940。主流的ARM9E內核有ARM926EJ-S、ARM946SJ-S、ARM966EJ-S等。目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的PDA，比如說(shuō)PocketPC中一般都是用ARM9處理器。

10、ARM10E處理器：ARM10E處理器采用ARMVST體系結構，可以分為6級流水線(xiàn)處理，采用指令與數據分離的Cache結構，平均功耗1000mW，時(shí)鐘速度為300MHz，每條指令平均執行1.2個(gè)時(shí)鐘周期。ARM10TDMI與所有的ARM核在二進(jìn)制級代碼中兼容，內帶高速32*16MAC，預留DSP協(xié)處理器接口。其中的VFP10(向量浮點(diǎn)單元)為七級流水線(xiàn)結構。其中的ARM1020T處理器是由ARM10TDMI、32KB指令、數據Caches及MCU部分構成的。其系統時(shí)鐘高達300MHz，指令Cache和數據Cache分別為32KB，數據寬度為64位，能夠支持多種商用操作系統，適用于下一代高性能手持式因特網(wǎng)設備及數字式消費類(lèi)應用。主流的ARM10內核是ARM1020E、ARM1022E，ARM1026EJ-S等。

11、SecurCore處理器：SecurCore系列處理器提供了基于高性能的32位RISC技術(shù)的安全解決方案，該系列處理器具有體積小、功耗低、代碼密度大和性能高等特點(diǎn)。另外最為特別的就是該系列處理器提供了安全解決方案的支持。采用軟內核技術(shù)，以提供最大限度的靈活性，以及防止外部對其進(jìn)行掃描探測，提供面向智能卡的和低成本的存儲保護單元MPU，可以靈活地集成用戶(hù)自己的安全特性和其他的協(xié)處理器，目前含有SC100、SC110、SC200、SC210四種產(chǎn)品。

12、StrongARM處理器：StrongARM處理器采用ARMV4T的五級流水線(xiàn)體系結構。目前有SA110、SA1100、SA1110等3個(gè)版本。另外，Intel公司的基于A(yíng)RMV5TE體系結構的XScale PXA27x系列處理器，與StrongARM相比，增加了I/D Cache，并且介入了部分DSP功能，更適合于移動(dòng)多媒體應用。目前市場(chǎng)上的大部分智能手機的核心處理器就是XScale系列處理器。

13、ARM11處理器：ARM11處理器系列可以在使用130nm代工廠(chǎng)技術(shù)、小至2.2 芯片面積和低至0.2mW/MHz的前提下達到高達500MHz的性能表現。ARM11采用的是8級流水線(xiàn)結構。ARM11處理器系列以眾多消費產(chǎn)品市場(chǎng)為目標，推出了許多新的技術(shù)，包括針對媒體處理的SIMD，用以提高安全性能的TrustZone技術(shù)，智能能源管理(IEM)，以及需要非常高的、可升級的超過(guò)2600Dhrystone 2.1 MIPS性能的系統多處理技術(shù)。主要的ARM11處理器有ARM136JF-S、ARM1156T2F-S、ARM1176JZF-S、ARM11 MCORE等多種。

1.4 ARM處理器的工作模式

1、BSP：Board Support Package-板級支持包

2、正在執行Thumb指令集的處理器是工作在Thumb狀態(tài)下的。同樣，正在執行ARM指令集的處理器是工作在A(yíng)RM狀態(tài)下的。ARM狀態(tài)下的處理器不能執行Thumb指令，在Thumb狀態(tài)下的處理器也不能執行ARM指令。必須確保處理器不接受對當前來(lái)說(shuō)為錯誤指令集的指令。每個(gè)指令集都包括切換處理器狀態(tài)的指令。ARM處理器總是在A(yíng)RM狀態(tài)下開(kāi)始執行代碼。ARM處理器支持7種處理器模式，取決于體系結構版本。

3、ARM處理器共有7種運行模式，如下表所示：

除了用戶(hù)模式外，其它6種處理器模式可以稱(chēng)為特權模式，在這些模式下，程序可以訪(fǎng)問(wèn)所有的系統資源，也可以任意的進(jìn)行處理器模式的切換。其中除了系統模式外的其它5種特權模式又稱(chēng)為異常模式。處理器模式可以通過(guò)軟件來(lái)切換，在A(yíng)RM Linux操作系統中，只有運行在內核態(tài)的程序才有可能更改處理器模式，用戶(hù)態(tài)的程序是不能訪(fǎng)問(wèn)受操作系統保護的系統資源的，更不能直接進(jìn)行處理器模式的切換。當需要處理器模式切換的時(shí)候，用戶(hù)態(tài)的程序可以中斷，內核態(tài)的中斷處理程序開(kāi)始響應并作出處理。