浅谈ARM处理器的特点和体系结构

这里概述的都是一些传统意义上ARM处理器的一些方面，提醒自己看了之后会想起相关知识，或是对ARM有一个总体上的概念，其实都是些简述性的总结，很多都来自网上资料或教学课件，贴在这里，方便以后随时随地的复习！

ARM微处理器包括ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、SecurCore、以及Intel的StrongARM、XScale和其它厂商基于ARM体系结构的处理器，除了具有ARM体系结构的共同特点以外，每一个系列的ARM微处理器都有各自的特点和应用领域。

一、总的来说ARM处理器的一些特点：

1、采用RISC架构的ARM微处理器一般具有如下特点：

支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好的兼容8位/16位器件。Thumb指令集比通常的8位和16位CISC/RISC处理器具有更好的代码密度；

●        指令执行采用3级流水线/5级流水线技术；

●        带有指令Cache和数据Cache，大量使用寄存器，指令执行速度更快。大多数数据操作都在寄存器中完成。寻址方式灵活简单，执行效率高。指令长度固定（在ARM状态下是32位，在Thumb状态下是16位）；

●        支持大端格式和小端格式两种方法存储字数据；

●        支持Byte（字节，8位）、Halfword（半字，16位）和Word（字，32位）三种数据类型。

●        支持用户、快中断、中断、管理、中止、系统和未定义等7种处理器模式，除了用户模式外，其余的均为特权模式；

●        处理器芯片上都嵌入了在线仿真ICE-RT逻辑，便于通过JTAG来仿真调试ARM体系结构芯片，可以避免使用昂贵的在线仿真器。另外，在处理器核中还可以嵌入跟踪宏单元ETM，用于监控内部总线，实时跟踪指令和数据的执行；

●        具有片上总线AMBA（Advanced Micro-controller Bus Architecture）。 AMBA定义了3组总线：先进高性能总线AHB（Advanced High performance Bus）；先进系统总线ASB（Advanced System Bus）；先进外围总线APB（Advanced Peripheral Bus）。通过AMBA可以方便地扩充各种处理器及I/O，可以把DSP、其他处理器和I/O（如UART、定时器和接口等）都集成在一块芯片中；

●        采用存储器映像I/O的方式，即把I/O端口地址作为特殊的存储器地址；

●        具有协处理器接口。ARM允许接16个协处理器，如CP15用于系统控制，CP14用于调试控制器；

●        采用了降低电源电压，可工作在3.0V以下；减少门的翻转次数，当某个功能电路不需要时禁止门翻转；减少门的数目，即降低芯片的集成度；降低时钟频率等一些措施降低功耗；

●        体积小、低成本、高性能。

2、一个典型的ARM体系结构：

包含有32位ALU、31个32位通用寄存器及6位状态寄存器、32×8位乘法器、32×32位桶形移位寄存器、指令译码及控制逻辑、指令流水线和数据／地址寄存器等。

1）．ALU

ARM体系结构的ALU与常用的ALU逻辑结构基本相同，由两个操作数锁存器、加法器、逻辑功能、结果及零检测逻辑构成。ALU的最小数据通路周期包含寄存器读时间、移位器延迟、ALU延迟、寄存器写建立时间、双相时钟间非重叠时间等几部分。

2）．桶形移位寄存器

ARM采用了32×32位桶形移位寄存器，左移／右移n位、环移n位和算术右移n位等都可以一次完成，可以有效的减少移位的延迟时间。在桶形移位寄存器中，所有的输入端通过交叉开关（Crossbar）与所有的输出端相连。交叉开关采用NMOS晶体管来实现。

3）．高速乘法器

ARM为了提高运算速度，采用两位乘法的方法，2位乘法可根据乘数的2位来实现“加－移位”运算。ARM的高速乘法器采用32×8位的结构，完成32×2位乘法也只需5个时钟周期。

4）．浮点部件

在ARM体系结构中，浮点部件作为选件可根据需要选用，FPA10浮点加速器以协处理器方式与ARM相连，并通过协处理器指令的解释来执行。

浮点的Load/Store指令使用频度要达到67％，故FPA10内部也采用Load/Store结构，有8个80位浮点寄存器组，指令执行也采用流水线结构。

5）．控制器

ARM的控制器采用硬接线的可编程逻辑阵列PLA，其输入端有14根、输出端有40根，分散控制Load/Store多路、乘法器、协处理器以及地址、寄存器ALU和移位器。

6）．寄存器

ARM内含37个寄存器，包括31个通用32位寄存器和6个状态寄存器。

3、ARM7系列微处理器：

包括ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ几种类型。其中，ARM7TDMI是目前使用最广泛的32位嵌入式RISC处理器，主频最高可达130MIPS，采用能够提供0.9MIPS/MHz的三级流水线结构，内嵌硬件乘法器（Multiplier），支持16为压缩指令集Thumb，嵌入式ICE，支持片上Debug，支持片上断点和调试点。指令系统与ARM9系列、ARM9E系列和ARM10E系列兼容，支持Windows CE、Linux、Palm OS等操作系统。典型产品如Samsung公司的S< xmlnamespace prefix ="st1" ns ="urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags" />3C4510B。

ARM7TDMI处理器内核：

n       ARM7TDMI还提供了存储器接口、MMU接口、协处理器接口和调试接口，以及时钟与总线等控制信号，如图2.2.2所示。

n       存储器接口包括了32位地址A[31:0］、双向32位数据总线D[31:0]、单向32位数据总线DIN[31:0]与DOUT[31:0]、以及存储器访问请求MREQ、地址顺序SEQ、存储器访问控制MAS[1:0和数据锁存控制BL[3:0]等控制信号。

n       ARM7TDMI处理器内核也可以ARM7TDMI-S软核（Softcore）形式向用户提供。同时，提供多种组合选择，例如可以省去嵌入式ICE单元等。

n       2．ARM720T/ARM740T处理器内核

n       ARM720T处理器内核是在ARM7TDMI处理器内核基础上，增加8KB的数据与指令Cache，支持段式和页式存储的MMU（Memory Management Unit）、写缓冲器及AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）接口而构成，如图2.2.3所示。

n       ARM740T处理器内核与ARM720T处理器内核相比，结构基本相同，ARM740T处理器核没有存储器管理单元MMU，不支持虚拟存储器寻址，而是用存储器保护单元来提供基本保护和Cache的控制。合适低价格低功耗的嵌入式应用。

4、ARM9微处理器

ARM9系列微处理器包含ARM920T、ARM922T和ARM940T几种类型，可以在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。采用5级整数流水线，指令执行效率更高。提供1.1MIPS/MHz的哈佛结构。支持数据Cache和指令Cache，具有更高的指令和数据处理能力。 支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。支持32位的高速AMBA总线接口。全性能的MMU，支持Windows CE、Linux、Palm OS等多种主流嵌入式操作系统。MPU支持实时操作系统。

ARM920T处理器核在ARM9TDMI处理器内核基础上，增加了分离式的指令Cache和数据Cache，并带有相应的存储器管理单元I-MMU和D-MMU、写缓冲器及AMBA接口等。

ARM9系列微处理器主要应用于无线通信设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。典型产品如Samsung公司的S3C2410A。

二、ARM体系结构的五个方面：

ARM的体系结构或处理器结构主要体现在：ARM微处理器的寄存器结构、异常处理、存储器结构、指令系统、接口等方面。

1、寄存器结构：

ARM处理器共有37个寄存器，被分为若干个组（BANK），这些寄器包括：

●  31个通用寄存器，包括程序计数器（PC指针），均为32位的寄存器。

●  6个状态寄存器，用以标识CPU的工作状态及程序的运行状态，均为32位，目前只使用了其中的一部分。

（1）处理器运行模式：

ARM微处理器支持7种运行模式，分别为：

●  usr（用户模式）：ARM处理器正常程序执行模式。

●  fiq（快速中断模式）：用于高速数据传输或通道处理

●  irq（外部中断模式）：用于通用的中断处理

●  svc（管理模式）：操作系统使用的保护模式

●        abt (数据访问终止模式)： 当数据或指令预取终止时进入该模式，可用于虚拟存储及存储保护。

●  sys（系统模式）： 运行具有特权的操作系统任务。

●  und（未定义指令中止模式）：当未定义的指令执行时进入该模式，可用于支持硬件协处理器的软件仿真。

ARM微处理器的运行模式可以通过软件改变，也可以通过外部中断或异常处理改变。

大多数的应用程序运行在用户模式下，当处理器运行在用户模式下时，某些被保护的系统资源是不能被访问的。

　　除用户模式以外，其余的所有6种模式称之为非用户模式，或特权模式；其中除去用户模式和系统模式以外的5种又称为异常模式，常用于处理中断或异常，以及需要访问受保护的系统资源等情况。