ARM體系結構研究(一)

隨著(zhù)近兩年各種智能手機、平板電腦、車(chē)載電子等各種消

費品的蓬勃發(fā)展，ARM體系結構的處理器，作為這些消費品的處理核心，也得到了長(cháng)足的進(jìn)步，甚至擊敗了Intel，在移動(dòng)嵌入式領(lǐng)域獨占鰲頭。本文將首先介紹ARM體系結構的發(fā)展歷程，然后將著(zhù)重梳理其最先進(jìn)的Cortex系列處理器的體系結構，以及這些結構對于各種軟件平臺如JAVA、.NET的支持等。

二、ARM體系結構的歷史即其新進(jìn)展

2.1ARM體系結構市場(chǎng)前景

來(lái)自英國的ARM（Acorn RISC Machine）公司雖然以ARM處理器著(zhù)稱(chēng)，但是它獨特的商業(yè)模式卻決定了ARM公司本身并不生產(chǎn)處理器，這點(diǎn)與從研發(fā)到生產(chǎn)到出貨垂直整合的Intel公司有很大不同，ARM公司采取的是授權與提成的商業(yè)模式（Intellectual Property Core簡(jiǎn)寫(xiě)IP-Core）：公司自己研發(fā)處理器體系架構，然后將這套架構的知識產(chǎn)權有償授權給處理器制造廠(chǎng)商如高通、三星等半導體廠(chǎng)商，這些廠(chǎng)商造出的每一塊使用ARM體系結構的芯片只需向ARM公司交付低廉的提成即可。由于這種創(chuàng )新的商業(yè)模式和低廉的成本，加上ARM體系的低功耗特點(diǎn)，讓ARM體系在對價(jià)格敏感和續航能力敏感的32位嵌入式電子消費品市場(chǎng)如虎添翼，基本占據了32位嵌入式消費平100%的市場(chǎng)份額。發(fā)展到如今，ARM芯片甚至在對運算速度要求更高的的上網(wǎng)本、平板電腦也大有跟Intel的ATOM處理器一較高低的實(shí)力。近來(lái)紅得發(fā)紫的蘋(píng)果iPad就是采用的ARM深度定制的一款處理器架構，其它還有很多運行著(zhù)Android系統的平板產(chǎn)品、智能手機產(chǎn)品等也都采用ARM體系結構的處理核心。由此可見(jiàn)ARM體系結構在移動(dòng)電子消費品市場(chǎng)無(wú)與倫比的優(yōu)勢。

2.2ARM體系發(fā)展歷史

1985——誕生了第一顆ARM芯片，ARM1 Sample版。

1986——ARM2，具有32位數據總線(xiàn)，26位地址總線(xiàn)，16個(gè)32位寄存器的處理器實(shí)現產(chǎn)能量產(chǎn)。

20世紀80年代晚期——蘋(píng)果電腦開(kāi)始與Acorn合作開(kāi)發(fā)新版的ARM核心。

1991——與蘋(píng)果的合作造就了ARM6，并進(jìn)入了蘋(píng)果的Apple Newton PDA和Acorn Risc-PC成為了它們的處理器。在該年正式成立了ARM公司，作為Acorn的一家子公司。

1991——至今ARM的產(chǎn)品已經(jīng)橫貫應用程序處理器，嵌入式處理器，專(zhuān)家系統等各種計算領(lǐng)域，成為了移動(dòng)電子消費品市場(chǎng)、復雜工業(yè)控制應用的首選處理器體系架構。

2.3ARM產(chǎn)品系列簡(jiǎn)介

2.3.1經(jīng)典ARM處理器

這一系列包括的處理器架構有：

lARM11系列——基于A(yíng)RMv6體系結構的高性能處理器

lARM9系列——基于A(yíng)RMv5體系結構的常用處理器

lARM7系列——面向普通應用的經(jīng)典處理器

該系列適用于那些希望在新應用中追求穩定的產(chǎn)品。這些處理器提供了許多的特性、卓越的功效和范圍廣泛的操作能力，適用于成本敏感型解決方案。這些處理器每年都有數十億的發(fā)貨量，因此可確保設計者獲得最廣泛的體系和資源，從而最大限度地減少集成過(guò)程中出現的問(wèn)題并縮短上市時(shí)間。

2.3.2ARM Cortex嵌入式處理器

這一系列的處理器架構有：

lCortex-R系列——面向實(shí)時(shí)應用的卓越性能

lCortex-M系列——面向具有確定性的微控制器應用的成本敏感型解決方案

Cortex-M系列處理器主要是針對微控制器領(lǐng)域開(kāi)發(fā)的，在該領(lǐng)域中，既需進(jìn)行快速且具有高確定性的中斷管理，又需將門(mén)數和可能功耗控制在最低；而Cortex-R系列處理器的開(kāi)發(fā)則面向深層嵌入式實(shí)時(shí)應用，對低功耗、良好的中斷行為、卓越性能以及與現有平臺的高兼容性這些需求進(jìn)行了平衡考慮。

2.3.3ARM Cortex應用程序處理器

這一系列包括的處理器架構只有

lCortex-A系列-開(kāi)放式操作系統的高性能處理器

Cortex-A在高級工藝節點(diǎn)中可實(shí)現高達2GHZ+的主頻，也正是由于如此卓越的性能，該處理器架構可用于下一代Internet設備，而且該系列提供單核和多核多種種類(lèi)，并且提供NEON多媒體處理模塊的四種選擇和高級浮點(diǎn)執行單元和處理單元。

2.3.4ARM專(zhuān)家處理器

這一系列包括的處理器架構只有

lSecurCore -面向高安全性應用的處理器

lFPGA內核-面向FPGA的處理器

該系列的處理器主要是為了滿(mǎn)足一些特定市場(chǎng)的苛刻需求。SecurCore可以用于手機SIM卡和其他識別應用，集成了多種既可以為用戶(hù)提供卓越性能，又可以檢測和避免安全攻擊的技術(shù)。

2.4ARM指令集

談到ARM的指令系統，必須先明確一點(diǎn)的就是，ARM體系結構不同于x86，它是RISC（Reduced Instruction Set Computer）體系結構。所以，在A(yíng)RM指令體系中，各指令相對來(lái)說(shuō)更加規整、對稱(chēng)、簡(jiǎn)單。而且指令小于100條，基本尋址方式只有2~3中，而且指令字長(cháng)都比較一直，并都在單個(gè)時(shí)鐘周期內完成，以便于流水操作。在A(yíng)RM7中采用的是3級流水線(xiàn)：取值、譯碼、執行。而ARM9和ARM10則是五級流水線(xiàn)和六級流水線(xiàn)。ARM的訪(fǎng)存采用的都是LOAD-STORE結構，這樣可以把每條指令的執行時(shí)間都平均化，有助于高效的流水線(xiàn)的實(shí)現，采用這種結構也就同時(shí)意味著(zhù)指令都要在寄存器間進(jìn)行操作，所以ARM體系中有大量的寄存器（不少于32個(gè)）。

2.4.1ARM指令與Thumb指令

ARM指令集可以是32位長(cháng)的ARM指令，也可以是16位長(cháng)的Thumb指令，這主要是為了兼容數據總線(xiàn)為16位的應用系統。所有的Thumb指令都有對應的ARM指令，Thumb只是ARM的一個(gè)真子集，而且Thumb指令舍棄了ARM指令集的一些特性，如大多數Thumb指令都是無(wú)條件執行的，而幾乎所有的ARM指令都是有條件執行的，又如大多數的Thumb指令由于長(cháng)度有限，目的寄存器是源寄存器中的一個(gè)，這跟x86的匯編指令集相似。