ARM架構(gòu)及ARM指令集、Thumb指令集你了解多少？

1991 年ARM 公司成立于英國(guó)劍橋，在成立后的那幾年，ARM業(yè)績(jī)平平，工程師們也人心惶惶，害怕隨時(shí)都會(huì)失業(yè)。在這個(gè)情況下，ARM決定改變他們的產(chǎn)品策略——他們不再生產(chǎn)芯片，轉(zhuǎn)而以授權(quán)的方式，將芯片設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)讓給其他公司，即“Partnership”開放模式。

沒想到正是這種模式，開創(chuàng)了屬于ARM的全新時(shí)代。

ARM所采取的是IP(Intellectual Property，知識(shí)產(chǎn)權(quán))授權(quán)的商業(yè)模式，收取一次性技術(shù)授權(quán)費(fèi)用和版稅提成。

具體來說，ARM有三種授權(quán)方式：處理器、POP以及架構(gòu)授權(quán)。

處理器授權(quán)是指授權(quán)合作廠商使用ARM設(shè)計(jì)好的處理器，對(duì)方不能改變?cè)性O(shè)計(jì)，但可以根據(jù)自己的需要調(diào)整產(chǎn)品的頻率、功耗等。

POP(processor optimization pack，處理器優(yōu)化包)授權(quán)是處理器授權(quán)的高級(jí)形式， ARM出售優(yōu)化后的處理器給授權(quán)合作廠商，方便其在特定工藝下設(shè)計(jì)、生產(chǎn)出性能有保證的處理器。

架構(gòu)授權(quán)是ARM會(huì)授權(quán)合作廠商使用自己的架構(gòu)，方便其根據(jù)自己的需要來設(shè)計(jì)處理器(例如后來高通的Krait架構(gòu)和蘋果的Swift架構(gòu)，就是在取得ARM的授權(quán)后設(shè)計(jì)完成的)。所以，授權(quán)費(fèi)和版稅就成了ARM的主要收入來源。除此之外，就是軟件工具和技術(shù)支持服務(wù)的收入。

一、ARM 微處理器的應(yīng)用領(lǐng)域及特點(diǎn)

ARM處理器市場(chǎng)覆蓋率最高、發(fā)展趨勢(shì)廣闊，基于ARM技術(shù)的32位微處理器，市場(chǎng)的占有率目前已達(dá)到80%。絕大多數(shù)IC制造商都推出了自己的ARM結(jié)構(gòu)芯片。我國(guó)的中興集成電路、大唐電訊、華為海思、中芯國(guó)際和上海華虹，以及國(guó)外的一些公司如德州儀器、意法半導(dǎo)體、Philips、Intel、Samsung等都推出了自己設(shè)計(jì)的基于ARM核的處理器。

工業(yè)控制領(lǐng)域：作為32 的RISC 架構(gòu)，基于ARM 核的微控制器芯片不但占據(jù)了高端微控制器市場(chǎng)的大部分市場(chǎng)份額，同時(shí)也逐漸向低端微控制器應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展，ARM 微控制器的低功耗、高性價(jià)比，向傳統(tǒng)的8 位/16 位微控制器提出了挑戰(zhàn)。

無線通訊領(lǐng)域：目前已有超過85%的無線通訊設(shè)備采用了ARM 技術(shù)， ARM 以其高性能和低成本，在該領(lǐng)域的地位日益鞏固。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：隨著寬帶技術(shù)的推廣，采用ARM 技術(shù)的ADSL 芯片正逐步獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。此外，ARM 在語(yǔ)音及視頻處理上進(jìn)行了優(yōu)化，并獲得廣泛支持，也對(duì)DSP 的應(yīng)用領(lǐng)域提出了挑戰(zhàn)。

消費(fèi)類電子產(chǎn)品：ARM 技術(shù)在目前流行的數(shù)字音頻播放器、數(shù)字機(jī)頂盒和游戲機(jī)中得到廣泛采用。

成像和安全產(chǎn)品：現(xiàn)在流行的數(shù)碼相機(jī)和打印機(jī)中絕大部分采用ARM 技術(shù)。手機(jī)中的32位SIM 智能卡也采用了ARM 技術(shù)。

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ARM處理器的特點(diǎn)：

1、體積小、低功耗、低成本、高性能;

2、支持Thumb(16 位)/ARM(32 位)雙指令集，能很好的兼容8 位/16 位器件;

3、大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快;

4、大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成;

5、尋址方式靈活簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高;

6、指令長(zhǎng)度固定;

二、ARM相關(guān)的幾個(gè)重要概念

1.馮·諾依曼體系

馮·諾依曼體系的特點(diǎn)：

A、數(shù)據(jù)與指令都存儲(chǔ)在同一存儲(chǔ)區(qū)中，取指令與取數(shù)據(jù)利用同一數(shù)據(jù)總線。

B、被早期大多數(shù)計(jì)算機(jī)所采用。

C、ARM7——馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但速度較慢。取指不能同時(shí)取數(shù)據(jù)。

2.哈佛體系

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結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

A、程序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開.

B、提供了較大的存儲(chǔ)器帶寬，各自有自己的總線。

C、適合于數(shù)字信號(hào)處理.

D、大多數(shù)DSP都是哈佛結(jié)構(gòu).

E、ARM9是哈佛結(jié)構(gòu)，取指和取數(shù)在同一周期進(jìn)行，提高速度，改進(jìn)哈佛體系結(jié)構(gòu)分成三個(gè)存儲(chǔ)區(qū)：程序、數(shù)據(jù)、程序和數(shù)據(jù)共用。

3.CISC復(fù)雜指令集特點(diǎn)

A、具有大量的指令和尋址方式

B、8/2原則：80%的程序只使用20%的指令

C、大多數(shù)程序只使用少量的指令就能夠運(yùn)行。

D、CISC CPU 包含有豐富的單元電路，因而功能強(qiáng)、面積大、功耗大。

4.RISC精簡(jiǎn)指令集特點(diǎn)

A、在通道中只包含最有用的指令,只提供簡(jiǎn)單的操作。

B、確保數(shù)據(jù)通道快速執(zhí)行每一條指令。

C、Load-store結(jié)構(gòu)—— 處理器只處理寄存器中的數(shù)據(jù)，load-store指令用來完成數(shù)據(jù)在寄存器和外部存儲(chǔ)器之間的傳送。

D、使CPU硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變得更為簡(jiǎn)單， RISC CPU包含較少的單元電路，因而面積小、功耗低。

5.RISC與CISC主要差別

A、寄存器方面

RISC指令集：擁有更多的通用寄存器，每個(gè)可以存放數(shù)據(jù)和地址，寄存器為所有的數(shù)據(jù)操作提供快速的存儲(chǔ)訪問。

CISC指令集：多用于特定目的的專用寄存器。

B、LOAD –STORE結(jié)構(gòu)方面

RISC結(jié)構(gòu)：Cpu 僅處理寄存器中的數(shù)據(jù)，采用獨(dú)立的、專用的LOAD –STORE 指令來完成數(shù)據(jù)在寄存器和外存之間的傳送。(訪存費(fèi)時(shí)，處理和存儲(chǔ)分開，可以反復(fù)的使用保存在寄存器中的數(shù)據(jù)，而避免多次訪問外存)。

CISC結(jié)構(gòu)：能直接處理存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)。

三、ARM存儲(chǔ)格式

ARM存儲(chǔ)器以8位為一個(gè)單元存儲(chǔ)數(shù)據(jù)(一個(gè)字節(jié))，每個(gè)存儲(chǔ)單元分配一個(gè)存儲(chǔ)地址。

ARM將存儲(chǔ)器看作是從零地址開始的字節(jié)的線性組合。作為32位的微處理器，ARM體系結(jié)構(gòu)所支持的最大尋址空間為4GB(232字節(jié))。從零字節(jié)到三字節(jié)放置第一個(gè)存儲(chǔ)的字?jǐn)?shù)據(jù)，從第四個(gè)字節(jié)到第七個(gè)字節(jié)放置第二個(gè)存儲(chǔ)的字?jǐn)?shù)據(jù)，依次排列。32位的字?jǐn)?shù)據(jù)要使用4個(gè)地址單元，16位半數(shù)據(jù)要使用2個(gè)地址單元。這樣，就存在一個(gè)所存儲(chǔ)的字或半字?jǐn)?shù)據(jù)的排列順序問題。ARM體系結(jié)構(gòu)可以用兩種方法存儲(chǔ)字?jǐn)?shù)據(jù)，稱為大端格式和小端格式。

大端格式(big-endian)：字?jǐn)?shù)據(jù)的高字節(jié)存儲(chǔ)在低地址中，而字?jǐn)?shù)據(jù)的低字節(jié)則存放在高地址中。

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小端格式(low-endian)：與大端存儲(chǔ)格式相反。低地址中存放的是字?jǐn)?shù)據(jù)的低字節(jié)，高地址存放的是字?jǐn)?shù)據(jù)的高字節(jié)。缺省設(shè)置為小端格式。

你真的懂CPU大小端模式嗎？

四、Thumb技術(shù)

ARM的RISC體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展中已經(jīng)提供了低功耗、小體積、高性能的方案。而為了解決代碼長(zhǎng)度的問題，ARM體系結(jié)構(gòu)又增加了T變種，開發(fā)了一種新的指令體系，這就是Thumb指令集，它是ARM技術(shù)的一大特色。

Thumb是ARM體系結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展。它有從標(biāo)準(zhǔn)32位ARM指令集抽出來的36條指令格式，可以重新編成16位的操作碼。這能帶來很高的代碼密度。

支持Thumb的ARM體系結(jié)構(gòu)的處理器狀態(tài)可以方便的切換、運(yùn)行到Thumb狀態(tài)，在該狀態(tài)下指令集是16位的Thumb指令集。

與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，因此在對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間要求苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合ARM指令集更為適合;

2、Thumb指令集沒有包含進(jìn)行異常處理時(shí)需要的一些指令，因此在異常中斷時(shí)，還是需要使用ARM指令，這種限制決定了Thumb指令需要和ARM指令配合使用。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的ARM架构及ARM指令集、Thumb指令集你了解多少？的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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