最新ARM体系简介14
ARM技术概述
ARM11系列
ARM11系列处理器是针对低成本 、低功耗设备设计的，具有高性 能和出色的能效。
A系列
ARM A系列是针对高性能、低功 耗设备设计的，是大多数移动设备 的首选处理器系列。
arm编程模型
指令集架构
寄存器架构
内存管理
异常处理
ARM采用了指令集架构，将复 杂的计算机操作划分为简单、清 晰的指令，方便编程人员操作。
统的稳定性和可靠性。
04
arm技术优化与发展趋势
arm技术优化
ARMv8-A架构
采用轻量级虚拟化、多核处理器设计，支持高效的多任务处理。
内存优化
采用高速缓存、大内存等技术，提升内存读写速度，同时支持内存扩展和共享。
能源效率
采用低功耗处理器设计、能源感知技术，实现更长的电池寿命和更高效的能源利用。
05
arm技术应用案例分析
arm技术在智能手机领域的应用
智能手机市场份额
ARM在智能手机处理器市场 的份额超过90%，为全球众 多知名品牌提供技术支持和解
决方案。
高性能低功耗
ARM架构的处理器具有高性能和 低功耗的特点，使得智能手机能 够拥有更长的待机时间和更流畅 的用户体验。
异构计算
ARM通过异构计算技术，将CPU 、GPU、DSP等不同类型处理器集 成在一起，实现更高效的任务处理 。
用率和灵活性。
arm技术在物联网领域的应用
01
02
03
嵌入式系统
ARM的嵌入式系统为物 联网设备提供了稳定可靠 、低功耗、高性能的计算 平台。
低功耗设计
ARM的处理器在低功耗 设计方面具有优势，能够 满足物联网设备的长时间 运行需求。
ARM体系结构
Cort ex-M35P
Cort ex-M7
Cort ex-M4
Cort ex-M33
Cort ex-M38 Cort ex-M0
C ort ex-M1
Cortex-M0+ Cortex-M23
嵌入式系统设计
图2-1 Cortex系列处理器发展历程简图
1
4
2.2 ARM指令集体系结构的发展
网络应用： 随着宽带技术的推广，采用ARM技术的ADSL芯片正逐步
基于ARM技术的微处理器应用约占据了32位RISC微 处理器75％以上的市场份额，ARM技术正在逐步渗 入到我们生活的各个方面。
嵌入式系统设计
4
2.1 ARM简介
世界各大半导体生产商从ARM公司购买其设计 的ARM微处理器核，根据各自不同的应用领域，加 入适当的外围电路，从而形成自己的ARM微处理器 芯片进入市场。
指令的强弱是CPU的重要指标，指令集是提高微处理器效率的最有效工具 之一。从现阶段的主流体系结构来讲，指令集可分为复杂指令集（CISC） 和精简指令集（RISC）两部分。
1．CISC机器 CISC体系的指令特征为使用微代码，计算机性能的提高往往是通过增加 硬件的复杂性来获得的。
优点：指令丰富，功能强大，寻址方式灵活，能够有效缩短新指令的微 代码设计时间，允许设计师实现CISC体系机器的向上相容。 缺点：指令集及晶片的设计比上一代产品更复杂，不同的指令需要不同 的时钟周期来完成，执行较慢的指令，将影响整台机器的执行效率。
➢ 符号化和非符号化半字及符号化字节的存/取指令；
➢ 增加了16位Thumb指令集；
➢ 完善了软件中断SWI指令的功能；
➢ 处理器系统模式引进特权方式时使用用户寄存器操作;
ARM架构
ARM架构（过去称作进阶精简指令集机器（Advanced RISC Machine），更早称作Acorn RISC Machine）是一个32位元精简指令集（RISC）中央处理器（processor）架构，其广泛地使用在许多嵌入式系统（embedded）设计。
由于节能的特点，ARM处理器非常适用于行动通讯领域，符合其主要设计目标为低耗电的特性。
在今日，ARM家族占了所有32位元嵌入式处理器75%的比例[1]，使它成为占全世界最多数的32位元架构之一。
ARM处理器可以在很多消费性电子产品上看到，从可携式装置（PDA、移动电话、多媒体播放器、掌上型电玩，和计算机）到电脑周边设备（硬盘、桌上型路由器）甚至在导弹的弹载计算机等军用设施中都有他的存在。
在此家族中衍伸的重要产品还包括Marvell的XScale架构和德州仪器的OMAP系列。
编辑本段历史ARM的设计是Acorn电脑公司（Acorn Computers Ltd）于1983年开始的开发计划。
这个团队由Roger Wilson和Steve Furber带领，着手开发一种新架构，类似进阶的MOS Technology 6502处理器。
Acorn有一大堆建构在6502架构上的电脑，因此能设计出一颗类似的芯片即意味着对公司有很大的优势。
团队在1985年时开发出ARM1 Sample版，而首颗"真正"的产能型ARM2于次年量产。
ARM2具有32位的数据总线、26位的寻址空间，并提供64 Mbyte 的寻址范围与16个32-bit的暂存器。
这些暂存器其中有一颗做为（word大小）程式计数器，其前面6 bits和后面2 bits用来保存处理器状态标记（Processor Status Flags）。
ARM2可能是全世界最简单实用的32位微处理器，其仅容纳了30,000个晶体管（相较于Motorola六年后的68000其包含了70,000颗）。
ARM体系及原理
A R M体系及原理体系结构概述指令集体系结构1. 一条ARM指令的最高四位bit[31：28]为条件域（condition field），根据其值的不同来确定当前指令对CPSR中的N、Z、C和V标志的设置与否。
2. ARM指令集支持一个向前或向后32M范围内跳转的Branch指令。
如果是Branch and Link指令，则除了支持向前或向后的32M范围跳转外，还能将跳转指令的下一条指令地址（返回地址）压入R14（LR）。
而在ARMv4以上支持T的版本中，还有Branch and Exchange指令，此指令可以拷贝通用寄存器Rm的值到PC中，而若其bit[0]为0，则进行ARM至Thumb的切换。
3. ARM指令集中包含了状态寄存器获取指令MSR和MRS用来对CPSR和SPSR进行操作。
同时ARM指令集还提供了对协处理器的操作指令MCR和MRC。
4. SWI提供了软件中断的功能，此指令的bit[23：0]为一个立即数，ARM处理器会忽略这个立即数，但这个立即数可以提供异常处理程序使用。
寄存器通用寄存器(r0-r15):不分组寄存器r0-r7：可以工作在所有的处理模式下，没有隐含的特殊用途分组寄存器r8-r14:分组寄存器的使用取决于当前的处理器模式，每种模式有专用的分组寄存器用于快速异常处理。
寄存器R13通常用作堆栈指针，称作sp。
每种异常模式都有自己的R13。
通常R13被初始化为指向异常模式分配的堆栈。
在入口处，异常处理程序将用到的其他寄存器的值保存到堆栈中，返回时，重新将这些值加载到寄存器中。
寄存器R14用作子程序链接寄存器lr。
当指令BL指令时，得到R15（PC）寄存器的备份。
程序寄存器R15:ARM状态下，PC位[1:0]为0（字对齐)。
Thumb状态下，位[0]为0（半字对齐）。
由于流水线特性，PC总是指向当前执行指令的下两条指令地址。
程序状态寄存器：所有处理器模式下都访问相同的CPSR，CPSR包含条件码标志。
ARM体系结构介绍课件
－ 能够提供0.9MIPS/MHz的三级流水线结构。 － 代码密度高并兼容16位的Thumb指令集。 － 主频最高可达130MIPS，高速的运算处理能力能胜任绝大多数
的复杂应用。
ARM7系列微处理器包括如下几种类型的核：ARM7TDMI、 ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ。其中， ARM7TMDI是目前使用最AR广M体泛系结的构介3绍 2位嵌入式RISC处理器，
ARM:32位，执行字对准 的ARM指令
Thumb:16位，执行半字 对准的Thumb指令
两种工作状态可以相互切 换，当处在Thumb状态下 发生外部中断或异常时， 处理完毕后，程序会自动
ARM体系结构介绍 跳回Thumb状态
特殊的寄存器
ARM体系结构
R13，堆栈指针寄存器，处理器的每种运行模式均有自己独立的物 理寄存器R13，在程序初始化时，一般都要初始化每种模式下的 R13，使其指向该运行模式的栈空间，这样，当程序进入异常模式 时，可以将需要保护的寄存器放入R13所指向的堆栈，而当程序从 异常模式返回时，则从对应的堆栈中恢复，采用这种方式可以保证 异常发生后程序的正常执行。
R15，用作程序计数器（PC）。指示当前程序进行的指令地址。
ARM体系结构介绍
模式切换的寄存器保护
ARM体系结构
先是初始化各种处理器模式下 的堆空间地址。
当进入相应的模式时，将需要 保存的寄存器保存到R13所指 定的该模式的堆栈空间，如左 图，SVC定义的为Task Stack 空间，IRQ定主的IRQ Stack 空间。
R14，也称作子程序连接寄存器（Subroutine Link Register） 或连接寄存器LR。当执行BL子程序调用指令时，R14中得到R15 （程序计数器PC）的备份。
GNU_ARM_汇编简介
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GNU汇编程序中的分段
<1> .section伪操作 用户可以通过.section伪操作来自定义一个段,格式如下： .section section_name [, "flags"[, %type[,flag_specific_arguments]]] 每一个段以段名为开始, 以下一个段名或者文件结尾为结束。 这些段都有缺省的标志（flags），连接器可以识别这些标志。 (与arm asm中的AREA相同)。 下面是ELF格式允许的段标志flags：
1. N：为0~99之间的数字。 2. routname：当前局部范围的名称（为符号），通常为该 变量作用范围的名称（用ROUT伪操作定义的）。
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局部变量引用的语法格式： %{F|B}{A|T}N{routname}
1. %：表示引用操作 2. N：为局部变量的数字号 3. routname：为当前作用范围的名称（用ROUT伪操作定 义的） 4. F：指示编译器只向前搜索 5. B：指示编译器只向后搜索 6. A：指示编译器搜索宏的所有嵌套层次 7. T：指示编译器搜索宏的当前层次
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函数的编写应当遵循如下规则： a. a1-a4寄存器（参数、结果或暂存寄存器，r0到r3 的同义 字）以及浮点寄存器f0-f3(如果存在浮点协处理器)在函数中 是不必保存的； b. 如果函数返回一个不大于一个字大小的值，则在函数结束 时应该把这个值送到 r0 中； c. 如果函数返回一个浮点数，则在函数结束时把它放入浮点 寄存器f0中； d. 如果函数的过程改动了sp（堆栈指针，r13）、fp（框架 指针，r11）、sl（堆栈限制，r10）、lr（连接寄存器， r14）、v1-v8（变量寄存器，r4 到 r11）和 f4-f7,那么函数 结束时这些寄存器应当被恢复为包含在进入函数时它所持有 的值。
ARM系统体系架构
ARM体统体系架构ARM平台可以采用核心主板加扩展板的设计方式，基于ARM微处理器芯片的核心主板，能将ARM所有的I／O全部引出，在核心主板上面只提供最基本的接口；而对于一些特殊用途的USB接口、以太网接口、LCD接口，以扩展板形式提供。
ARM模块部分是其一个重要的组成部分，在系统中ARM模块主要负责系统控制部分，其硬件体系结构灵活、接口丰富。
核心包括嵌入式ARM CPU及必需的SDRAM和Hash 等器件，通过表贴封装的双排插针将各信号线及控制线引出。
这样，只需要设计不同的扩展板即可实现不同的系统功能，节约了开发成本并提高了平台的灵活性。
软件开发方面，如果采用Linux开放源代码进行开发，可以大大降低开发成本，加快软件的开发过程，并有利于后期开发。
1．硬件体系结构嵌入式系统硬件平台结构主要分为2大部分：一部分为系统主板，为基于ARM的最小系统，包括ARM CPU、∏ash、SDRAM、串口、键盘等最基本部分；另一部分为系统扩展板，提供了用于完成各个不同硬件的功能模块。
常用的嵌入式外围设备则有存储设备、通信设各和显示设备三类。
相关支撑硬件包括显示卡、存储介质（ROM和RAM等）、通信设备、IC卡或信用卡的读取设备等。
嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统，它不具备像硬盘那样大容量的存储介质，而大多使用闪存（∏ash Memory）作为存储介质。
整个系统硬件结构如图1所示，主要组成部分及其功能如表1所示。
图1 ARM嵌入式硬件平台表1 系统硬件主要组成及其功能描述另外，系统总线扩展引出数据总线、地址总线和必需的控制总线，便于用户根据自身的特定需求，扩展外围电路。
在选择嵌入式系统的硬件时，最重要的是要先选择ARM处理器类型，因为ARM处理器不仅决定整个系统的性能，而且影响其他硬件的选用，以及操作系统和软件代码的配置。
一个设计好的ARM核心板硬件如图2所示。
图2 ARM核心板硬件图软件体系结构嵌入式软件包括与硬件相关的底层软件、操作系统、图形界面、通信协议、数据库系统、标准化浏览器和应用软件等。
(完整word版)ARM系列及特点..doc
ARM 处理器的三大特点是：耗电少功能强、16 位 /32 ARM 商品模式的强大之处在于它在世界范围有超过位双指令集和众多合作伙伴。
100 个的合作伙伴 (Partners）。
ARM是设计公司，本身不生产芯片。
采用转让许可证制度，由合作伙伴生产芯片。
当前 ARM 体系结构的扩充包括：·Thumb 16 位指令集，为了改善代码密度；·DSP DSP 应用的算术运算指令集；·Jazeller 允许直接执行Java 字节码。
ARM 处理器系列提供的解决方案有：·无线、消费类电子和图像应用的开放平台；·存储、自动化、工业和网络应用的嵌入式实时系统；·智能卡和S IM 卡的安全应用。
ARM 处理器本身是32 位设计，但也配备16 位指令集。
一般来讲存储器比等价32 位代码节省达35％，然而保留了32 位系统的所有优势。
ARM 的 Jazelle 技术使 Java 加速得到比基于软件的 Java 虚拟机 (JVM) 高得多的性能，和同等的非Java 加速核相比功耗降低 80％。
CPU 功能上增加 DSP 指令集提供增强的 16 位和 32 位算术运算能力，提高了性能和灵活性。
ARM 还提供两个前沿特性来辅助带深嵌入处理器的高集成SoC 器件的调试，它们是嵌入式ICE-RT 逻辑和嵌入式跟踪宏核 (ETMS) 系列。
当前有 5 个产品系列—— ARM7 、 ARM9 、ARM9E 、 ARM10 和 SecurCore。
1、 ARM7 系列优化用于对价位和功耗敏感的消费应用的低功耗·嵌入式 ICE-RT 逻辑；32 位核，有：·非常低的功耗；·三段流水线和冯·诺依曼结构，提供0.9MIPS/MHz 。
2、 SecurCore SC100 特为安全市场设计，带特定的抗拒窜改和反工程的特性。
还带灵活的保护单元确保操作系统和应用数据的安全。
03-01 ARM指令体系
举例 LDR r0, =0xFF LDR r0, =0x55555555
=> =>
MOV r0, #0xFF LDR r0, [PC, #Imm12] … … DCD 0x55555555
推荐用这种方式将常数加载到寄存器
034v14
13
ESEC
1.3 乘法和除法
32位和 64位 有两类乘法 －分别产生 32位和 64位 的结果 32位的这类乘法在 32位的这类乘法在 ARM7TDMI 会执行 2－ 5 时钟周期
移位的范围为0-31位,对指令的性能不会造成太大的影响
LSL: 逻辑左移
CF
ASR: 算术右移
0
Destination
相当于乘2
Destination
CF
相当于除以2, 保留符号位
LSR: 逻辑右移
...0
ROR: 循环右移
CF
Destination
相当于除以2
Destination
CF
最低有效位旋转至最高有效位
RRX: 扩展的循环右移
Destination
CF
寄存器数值右移一位，C标志位填补空出的位，移出的位代替C标志位
034v14
10
ESEC
1.2.3 立即数常数
32位的立即数常数 ARM 指令不能包含一个 32位的立即数常数
ARM 指令都是32 位定长的
12位来对应 在数据处理指令的格式中，第二个操作数有12 在数据处理指令的格式中，第二个操作数有12位来对应
3 条指令 占据3 个字 3 个时钟周期
034v14
5
ESEC
1.1.2 指令条件码
可能的指令条件码如下所示
arm 标准
ARM标准主要涉及ARM处理器体系结构和ARM处理器指令集。
ARM处理器体系结构，如ARM7、ARM9、ARM11等，通常用于移动设备和嵌入式系统等。
这些体系结构采用低功耗设计，体积小、低成本、高性能，支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好的兼容8位/16位器件，且大量使用寄存器，指令执行速度更快，寻址方式灵活简单，执行效率高。
ARM处理器指令集，分为16位和32位指令集。
ARM处理器的指令集具有体积小、低功耗、低成本、高性能的特点。
其中，Jazelle技术使Java加速得到比基于软件的Java虚拟机(JVM)高得多的性能，和同等的非Java加速核相比功耗降低80%。
CPU功能上增加DSP指令集提供增强的16位和32位算术运算能力，提高了性能和灵活性。
此外，ARM还提供两个前沿特性来辅助带深嵌入处理器的高集成SoC器件的调试，它们是嵌入式ICE-RT逻辑和嵌入式跟踪宏核(ETMS)系列。
如果有更多相关问题，可以咨询ARM官方工作人员获取解答。
5ARM体系结构
配备MMU和 最快 最高 Cache
合理
媒体播放器，产品举 例：MP3，机顶盒， iPOD，智能手机，
PAD
去除MMU， 较快 合理 备有Cache
较低
数字信号处理，产品 举例：汽车ABS系统， 路由器，交换机，航 电系统
没有存储子 系统，即不 含MMU。
5
体系结构版本V3
这个体系结构版本将寻址范围扩展到了32位。 当前程序状态信息由过去存于R15中移到一个 新的当前程序状态寄存器CPSR（Current Program Status Register）中。增加了程序状态 保存寄存器SPSR（Saved Program Status Registers），以便当异常出现时保留CPSR的 内容。增加了2个指令（MRS和MSR），允许 访问新的CPSR和SPSR寄存器。
ARM状态，运行32位的ARM指令集 Thumb状态，运行16位的Thumb指令集 在任何一种工作状态可以通过转移指令切换到另一种
工作状态。 ARM和Thumb之间的状态切换不影响处理器工作模式
和寄存器中的内容。 加电起动时处理器工作在ARM状态。
2024/2/22
12
指令集压缩
对于传统的微处理器体系结构，指令和数据具有同样 的宽度。 与16位体系结构相比，32位体系结构在操纵32位数 据时呈显了更高的性能，并可更有效地寻址更大的 空间。 一般来讲，16位体系结构比32位体系结构具有更高 的代码密度，但只有近似一半的性能。
提高了T变量中ARM／Thumb之间切换的效率； 让非T变量同T变量一样，使用相同的代码生成技 术。增加了一个前导零计数（count leading zeros） 指令，该指令允许更有效的整数除法和中断优先 程序；增加了软件断点指令；为协处理器设计者 增加了更多可选择指令；对由乘法指令如何设置 标志进行了定义。
ARM体系结构
Profile R是针对实时系统的
Profile M是针对低成本应用的优化的微控制器的。
•所有ARMv7 profiles实现Thumb-2技术，比纯32位 代码少使用31%的内存，高出38%的性能。同时还包 括了NEON™技术的扩展提高DSP和多媒体处理吞吐 量400％ ，并提供浮点支持以满足下一代3D图形和 游戏以及传统嵌入式控制应用的需要。
ARM公司
Chengdu University of Information Technology
3
成立于1990年11月
前身为 Acorn计算机公司
主要设计ARM系列RISC处理器内 核
授权ARM内核给生产和销售半导 体的合作伙伴
ARM 公司不生产芯片
另外也提供基于ARM架构的开发 设计技术
ARM/Thumb的命名规范（Classic命名）
Chengdu University of Information Technology
14
由于ARM的每个版本都有一系列的可变版本，其命名 规范（Classic命名）如下：
1. 以A5）
3. 可变功能标识（T—表示支持Thumb指令，M---表示支 持乘法指令,E — 增强型DSP指令,J — Java加速器 Jazelle,SIMD — ARM媒体功能扩展），但是ARMv4和 其上的版本缺省都支持M功能，因此ARMv4和其上的版 本的标识中可以不用标识M.
11
•2001年推出ARMv6，它在许多方面做了改进如内存
系统、异常处理和较好地支持多处理器。
•SIMD扩展使得广大的软件应用如Video和Audio
codec的性能提高了4倍。
•Thumb-2和TrustZone 技术也用于ARMv6中。
ARM架构
电子产品处理器架构
01 发展历史
03 授权方
目录
02 安全性扩充
基本信息
ARM架构，曾称进阶精简指令集机器（Advanced RISC Machine）更早称作Acorn RISC Machine，是一个32 位精简指令集（RISC）处理器架构。还有基于ARM设计的派生产品，重要产品包括Marvell的XScale架构和德州 仪器的OMAP系列。
Thumb-2至今也从 ARM和 Thumb指令集中派生出多种指令，包含位栏（bit-field）操作、分支建表 （table branches），和条件执行等功能。
ThumbEE
ThumbEE，也就是所谓的Thumb-2EE，业界称为Jazelle RCT技术，于2005年发表，首见于 Cortex-A8处理 器。ThumbEE提供从 Thumb-2而来的一些扩充性，在所处的执行环境（Execution Environment）下，使得指令 集能特别适用于执行阶段（Runtime）的编码产生（例如即时编译）。Thumb-2EE是专为一些语言如 Limbo、 Java、C#、Perl和 Python，并能让即时编译器能够输出更小的编译码却不会影响到效能。
就像大多数 IP出售方，ARM依照使用价值来决定 IP的售价。在架构上而言，更低效能的 ARM内核比更高效 能的内核拥有较低的授权费。以硅芯片实作而言，一颗可整合的内核要比一颗硬件宏（黑箱）内核要来得贵。更 复杂的价位问题来讲，持有 ARM授权的商用晶圆厂（例如韩国三星和日本富士通）可以提供更低的授权价格给他 们的晶圆厂客户。透过晶圆厂自有的设计技术，客户可以更低或是免费的ARM预付授权费来取得 ARM内核。
VFP
VFP是在协同处理器针对ARM架构的衍生技术。它提供低成本的单精度和倍精度浮点运算能力，并完全相容 于ANSI/IEEE Std 754-1985二进制浮点算数标准。VFP提供大多数适用于浮点运算的应用，例如PDA、智慧手机、 语音压缩与解压、3D图像以及数位音效、打印机、机上盒，和汽车应用等。VFP架构也支援 SIMD（单指令多重数 据）平行化的短向量指令执行。这在图像和讯号处理等应用上，非常有助于降低编码大小并增加输出效率。