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作者 |?架構師技術聯盟

責編 | 阿禿

1、ARM架構與ARM內核

1.1?ARM架構與內核簡述

目前為止，ARM總共發布8種架構：ARMv1、ARMv2、ARMv3、ARMv4、ARMv5、ARMv6、ARMv7 、ARMv8，這是ARM架構指令集的多個v版本。

基于不同的ARM架構可以設計出不同特點的內核處理器。比如基于ARMv3架構設計出的處理器ARM6、ARM7，這兩款處理器適用于不同的場景，硬件可能不同，但是架構指令集是一樣的。

好比蓋房子，剛開始因為水平低流行蓋平房，這就是一種架構(ARMv5)，然后這種平房架構你可以設計出一款獨立衛生間的款式，?這叫ARM7內核。?然后其他人(芯片設計公司)想蓋房子的就買你這個圖紙去蓋，接著過一段時間，有人覺得光獨立衛生間還不夠啊，?我還想有個小院子! 好吧，那ARM就滿足你們的要求，出個帶小院子的款式(ARM9)。

即ARMv1/2/3等是指令集的架構，ARM7/9等是基于架構設計出的內核處理器。ARM的架構都是基于RISC指令集而設計的，內核是實現這一指令集的硬件架構的基礎。

1.2? ARM各架構之間區別

1.2.1 ARM版本Ⅰ：V1版架構

該版架構只在原型機ARM1出現過，只有26位的尋址空間，沒有用于商業產品。其基本性能有:

• 基本的數據處理指令（無乘法）；

• 基于字節、半字和字的Load/Store指令;

• 轉移指令，包括子程序調用及鏈接指令；

• 供操作系統使用的軟件中斷指令SWI；

• 尋址空間：64MB（226）。

1.2.2 ARM版本Ⅱ：V2版架構

該版架構對V1版進行了擴展，例如ARM2和ARM3（V2a）架構。包含了對32位乘法指令和協處理器指令的支持。

版本2a是版本2的變種，ARM3芯片采用了版本2a，是第一片采用片上Cache的ARM處理器。同樣為26位尋址空間，現在已經廢棄不再使用。V2版架構與版本V1相比，增加了以下功能：

• 乘法和乘加指令；

• 支持協處理器操作指令；

• 快速中斷模式；

• SWP/SWPB的最基本存儲器與寄存器交換指令;

• 尋址空間：64MB。

1.2.3 ARM版本Ⅲ: V3版架構

ARM作為獨立的公司，在1990年設計的第一個微處理器采用的是版本3的ARM6。它作為IP核、獨立的處理器、具有片上高速緩存、MMU和寫緩沖的集成CPU。

變種版本有3G和3M。版本3G是不與版本2a向前兼容的版本3，版本3M引入了有符號和無符號數乘法和乘加指令，這些指令產生全部64位結果。V3版架構（?目前已廢棄?）對ARM體系結構作了較大的改動：

• 尋址空間增至32位（4GB）；

• 當前程序狀態信息從原來的R15寄存器移到當前程序狀態寄存器CPSR中（Current Program Status Register）;

• 增加了程序狀態保存寄存器SPSR（SavedProgram Status Register）；

• 增加了兩種異常模式，使操作系統代碼可方便地使用數據訪問中止異常、指令預取中止異常和未定義指令異常。；

• 增加了MRS/MSR指令，以訪問新增的CPSR/SPSR寄存器；

• 增加了從異常處理返回的指令功能。

1.2.4 ARM版本Ⅳ: V4版架構

V4版架構在V3版上作了進一步擴充，V4版架構是目前應用最廣的ARM體系結構，ARM7、ARM8、ARM9和StrongARM都采用該架構。

V4不再強制要求與26位地址空間兼容，而且還明確了哪些指令會引起未定義指令異常。指令集中增加了以下功能：

• 符號化和非符號化半字及符號化字節的存/取指令；

• 增加了T變種，處理器可工作在Thumb狀態，增加了16位Thumb指令集；

• 完善了軟件中斷SWI指令的功能；

• 處理器系統模式引進特權方式時使用用戶寄存器操作;

• 把一些未使用的指令空間捕獲為未定義指令

1.2.5 ARM版本Ⅴ: V5版架構

V5版架構是在V4版基礎上增加了一些新的指令，ARM10和Xscale都采用該版架構。這些新增命令有：

• 帶有鏈接和交換的轉移BLX指令；

• 計數前導零CLZ指令；

• BRK中斷指令；

• 增加了數字信號處理指令（V5TE版）；?為協處理器增加更多可選擇的指令

• 改進了ARM/Thumb狀態之間的切換效率；

• E---增強型DSP指令集，包括全部算法操作和16位乘法操作；

• J----支持新的JAVA，提供字節代碼執行的硬件和優化軟件加速功能。

1.2.6 ARM版本Ⅵ: V6版架構

V6版架構是2001年發布的，首先在2002年春季發布的ARM11處理器中使用。在降低耗電量地同時，還強化了圖形處理性能。通過追加有效進行多媒體處理的SIMD (Single Instruction, Multiple Data，單指令多數據?)功能，將語音及圖像的處理功能提高到了原型機的4倍。此架構在V5版基礎上增加了以下功能：

• THUMBTM：35%代碼壓縮；

• DSP擴充：高性能定點DSP功能；

• JazelleTM：Java性能優化，可提高8倍；

• Media擴充：音/視頻性能優化，可提高4倍

2、ARM產品型號

2.1 內核產品型號

基于各ARM架構設計的內核型號如下圖所示：

目前常見的指令集的說明：ARMv7之前均為32位總線位寬，從ARMv8開始擴展為64位總線位寬（數據總線、地址總線、控制總線位寬均為64位，一般尋址空間不會用滿）。

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2.2 產品命名規則

ARM處理器命名規則和格式：ARM x y z T D M I E J F -S

• x：序列

• y：2：帶MMU， 4帶MPU，6沒有

• z：0：標準cache，2：減小的cache， 6可變的cache

• T：處理器支持Thumb指令集

• D：支持JTAG調試器

• M：支持長乘法指令

• I：有嵌入式跟蹤宏單元

• E：支持增強指令（基于TDMI）

• J：支持JAVA硬件加速（Jazelle）

• F：支持向量浮點單元

• S：可綜合版本

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2.3 內核產品應用

• ARM7：ARMv4架構

• ARM9：ARMv5架構

• ARM11：ARMv6架構

• ARM-Cortex 系列：ARMv7架構。

ARM7沒有MMU(內存管理單元)，只能叫做MCU（微控制器），不能運行諸如Linux、WinCE等這些現代的多用戶多進程操作系統，因為運行這些系統需要MMU，才能給每個用戶進程分配進程自己獨立的地址空間。ucOS、ucLinux這些精簡實時的RTOS不需要MMU，當然可以在ARM7上運行。

ARM9、ARM11，是嵌入式CPU（處理器），帶有MMU，可以運行諸如Linux等多用戶多進程的操作系統，應用場合也不同于ARM7。

到了ARMv7架構的時候開始以Cortex來命名，并分成Cortex-A、Cortex-R、Cortex-M三個系列。三大系列分工明確：

• “A”系列面向尖端的基于虛擬內存的操作系統和用戶應用；

• “R”系列針對實時系統；

• “M”系列對微控制器。簡單的說Cortex-A系列是用于移動領域的CPU，Cortex-R和Cortex-M系列是用于實時控制領域的MCU。

1、Cortex-M系列：M-Profile，即"Microntroller"- Profile，側重微控制器單片機方面的場合。

2、Cortex-R系列：R-Profile，即"Real-Time"-Profile，側重于實時系統的場合。

3、Cortex-A系列：A-Profile，即“Application”-Profile，側重于應用功能的場合。

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總結

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