ARM體系結(jié)構(gòu)研究(一)

隨著近兩年各種智能手機(jī)、平板電腦、車載電子等各種消

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

二、ARM體系結(jié)構(gòu)的歷史即其新進(jìn)展

2.1ARM體系結(jié)構(gòu)市場(chǎng)前景

來(lái)自英國(guó)的ARM（Acorn RISC Machine）公司雖然以ARM處理器著稱，但是它獨(dú)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(quán)與提成的商業(yè)模式（Intellectual Property Core簡(jiǎn)寫IP-Core）：公司自己研發(fā)處理器體系架構(gòu)，然后將這套架構(gòu)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)有償授權(quán)給處理器制造廠商如高通、三星等半導(dǎo)體廠商，這些廠商造出的每一塊使用ARM體系結(jié)構(gòu)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(duì)價(jià)格敏感和續(xù)航能力敏感的32位嵌入式電子消費(fèi)品市場(chǎng)如虎添翼，基本占據(jù)了32位嵌入式消費(fèi)平100%的市場(chǎng)份額。發(fā)展到如今，ARM芯片甚至在對(duì)運(yùn)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)紫的蘋果iPad就是采用的ARM深度定制的一款處理器架構(gòu)，其它還有很多運(yùn)行著Android系統(tǒng)的平板產(chǎn)品、智能手機(jī)產(chǎn)品等也都采用ARM體系結(jié)構(gòu)的處理核心。由此可見ARM體系結(jié)構(gòu)在移動(dòng)電子消費(fèi)品市場(chǎng)無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)。

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(shù)據(jù)總線，26位地址總線，16個(gè)32位寄存器的處理器實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能量產(chǎn)。

20世紀(jì)80年代晚期——蘋果電腦開始與Acorn合作開發(fā)新版的ARM核心。

1991——與蘋果的合作造就了ARM6，并進(jìn)入了蘋果的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(yīng)用程序處理器，嵌入式處理器，專家系統(tǒng)等各種計(jì)算領(lǐng)域，成為了移動(dòng)電子消費(fèi)品市場(chǎng)、復(fù)雜工業(yè)控制應(yīng)用的首選處理器體系架構(gòu)。

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(gòu)有：

lARM11系列——基于ARMv6體系結(jié)構(gòu)的高性能處理器

lARM9系列——基于ARMv5體系結(jié)構(gòu)的常用處理器

lARM7系列——面向普通應(yīng)用的經(jīng)典處理器

該系列適用于那些希望在新應(yīng)用中追求穩(wěn)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(shù)十億的發(fā)貨量，因此可確保設(shè)計(jì)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(xiàn)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(gòu)有：

lCortex-R系列——面向?qū)崟r(shí)應(yīng)用的卓越性能

lCortex-M系列——面向具有確定性的微控制器應(yīng)用的成本敏感型解決方案

Cortex-M系列處理器主要是針對(duì)微控制器領(lǐng)域開發(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，又需將門數(shù)和可能功耗控制在最低；而Cortex-R系列處理器的開發(fā)則面向深層嵌入式實(shí)時(shí)應(yīng)用，對(duì)低功耗、良好的中斷行為、卓越性能以及與現(xiàn)有平臺(tái)的高兼容性這些需求進(jìn)行了平衡考慮。

2.3.3ARM Cortex應(yīng)用程序處理器

這一系列包括的處理器架構(gòu)只有

lCortex-A系列-開放式操作系統(tǒng)的高性能處理器

Cortex-A在高級(jí)工藝節(jié)點(diǎn)中可實(shí)現(xiàn)高達(dá)2GHZ+的主頻，也正是由于如此卓越的性能，該處理器架構(gòu)可用于下一代Internet設(shè)備，而且該系列提供單核和多核多種種類，并且提供NEON多媒體處理模塊的四種選擇和高級(jí)浮點(diǎn)執(zhí)行單元和處理單元。

2.3.4ARM專家處理器

這一系列包括的處理器架構(gòu)只有

lSecurCore -面向高安全性應(yīng)用的處理器

lFPGA內(nèi)核-面向FPGA的處理器

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

2.4ARM指令集

談到ARM的指令系統(tǒng)，必須先明確一點(diǎn)的就是，ARM體系結(jié)構(gòu)不同于x86，它是RISC（Reduced Instruction Set Computer）體系結(jié)構(gòu)。所以，在ARM指令體系中，各指令相對(duì)來(lái)說(shuō)更加規(guī)整、對(duì)稱、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(zhǎng)都比較一直，并都在單個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成，以便于流水操作。在ARM7中采用的是3級(jí)流水線：取值、譯碼、執(zhí)行。而ARM9和ARM10則是五級(jí)流水線和六級(jí)流水線。ARM的訪存采用的都是LOAD-STORE結(jié)構(gòu)，這樣可以把每條指令的執(zhí)行時(shí)間都平均化，有助于高效的流水線的實(shí)現(xiàn)，采用這種結(jié)構(gòu)也就同時(shí)意味著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(zhǎng)的ARM指令，也可以是16位長(zhǎng)的Thumb指令，這主要是為了兼容數(shù)據(jù)總線為16位的應(yīng)用系統(tǒng)。所有的Thumb指令都有對(duì)應(yīng)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(shù)Thumb指令都是無(wú)條件執(zhí)行的，而幾乎所有的ARM指令都是有條件執(zhí)行的，又如大多數(shù)的Thumb指令由于長(zhǎng)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。