ARM微处理器概述

ARM微处理器概述

ARM微处理器概述

ARM公司简介

ARM于1990年11月在英国伦敦成立，前身为Acorn['eikɔ:n]计算机公司Advance RISC Machines [mə'ʃi:n] (ARM)

全球领先的16/32位嵌入式RISC微处理器解决方案供应商。

ARM公司是知识产权（IP Intellectual [,intə'lektjuəl, -tʃuəl] Property ['prɔpəti]）公司，本身不生产芯片，靠转让设计许可，由合作伙伴公司来生产各具特色的芯片。

目前，全世界有几十家著名的半导体公司都使用ARM公司的授权，其中包括摩托罗拉、IBM、Intel、SONY、NEC、LG、ATMEL等，从而保证了大量的开发工具和丰富的第三方资源，它们共同保证了基于ARM处理器核的设计可以很快投入市场。

ARM公司已成为移动通信、手持设备、多媒体数字消费嵌入式解决方案的RISC标准。

ARM微处理器的特点

采用RISC架构的ARM微处理器一般具有如下特点：

●体积小、低功耗、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；

●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。

ARM体系结构

ARM体系结构的版本

ARM指令集体系结构，从最初开发至今已有了重大改进，而且将会不断完善和发展。为了精确表达每个ARM实现中所使用的指令集，到目前ARM体系结构共定义了7个版本，以版本号v1～v7表示。

1. 版本1（v1）

基本数据处理指令（不包括乘法）。

字节、字以及半字加载/存储指令。

分支（branch [brɑ:ntʃ, bræntʃ]）指令，包括用于子程序调用的分支与链接（branch-and-link）指令。

软件中断指令，用于进行操作系统调用。

26位地址总线。

使用此版本的处理器核：ARM1

2. 版本2（v2）

与版本1相比，版本2增加了下列指令：

乘法和乘加指令（multiply ['mʌltiplai] & multiply-accumulate）。

支持协处理器。

原子性（atomic [ə'tɔmik]）加载/存储指令SWP和SWPB（稍后的版本称v2a）。

FIQ中的两个以上的分组寄存器。

使用此版本的处理器核：ARM2 v2

ARM2aS、ARM3 v2a

3. 版本3（v3）

版本3较以前的版本发生了大的变化，具体改进如下：

推出32位寻址能力。

分开的CPSR（current program status register ['redʒistə]，当前程序状态寄存器）和SPSR（saved program status register，备份的程序状态寄存器），当异常发生时，SPSR用于保存CPSR的当前值，从异常退出时则可由SPSR来恢复CPSR。

增加了两种异常模式，使操作系统代码可方便地使用数据访问中止异常、指令预取中止异常和未定义指令异常。

增加了MRS指令和MSR指令，用于完成对CPSR和SPSR寄存器的读/写；修改了原来的从异常中返回的指令。

使用此版本的处理器核：ARM6、ARM600、ARM610

ARM7、ARM700、ARM710

4. 版本4（v4）

版本4在版本3的基础上增加了如下内容：

有符号、无符号的半字和有符号字节的load和store指令。

增加了T变种，处理器可工作于Thumb状态，在该状态下，指令集是16位压缩指令集（Thumb指令集）。

增加了处理器的特权模式。在该模式下，使用的是用户模式下的寄存器。

另外，在版本4中还清楚地指明了哪些指令会引起未定义指令异常。版本4不再强制要求与以前的26位地址空间兼容。

使用此版本的处理器核：

ARM7TDMI、ARM710T、ARM720T、ARM740T v4T

Strong ARM、ARM8、ARM810 v4

ARM9TDMI、ARM920T、ARM940T v4T

5. 版本5（v5）

与版本4相比，版本5增加或修改了下列指令：

提高了T变种中ARM/Thumb指令混合使用的效率。

增加了前导零计数（CLZ）指令。

增加了BKPT（软件断点）指令。

为支持协处理器设计提供了更多的可选择的指令。

更加严格地定义了乘法指令对条件标志位的影响。

使用此版本的处理器核：

ARM9E-S v5TE

ARM10TDMI、ARM1020E v5TE

6. 版本6（v6）

ARM体系版本6是2001年发布的。该版本在降低耗电的同时，还强化了图形处理性能。通过追加有效多媒体处理的SIMD（single instruction multiple datastream，单指令流，多数据流）功能，将语音及图像的处理功能提高到了原机型的4倍。ARM体系版本6首先在2002年春季发布的ARM11处理器中使用。除此之外，v6还支持多微处理器内核。表2.1给出了ARM处理器核使用ARM 体系结构版本的情况。

使用此版本的处理器核：

ARM11、ARM1156T2-S、ARM1156T2F-S、ARM1176JZF-S、ARM11JZF-S

7. 版本7（v7）

ARM体系版本7是2005年发布的。该版本扩展了130条指令的THUMB-2指令集；具有NEON媒体引擎，该引擎具有SIMD（single instruction multiple datastream，单指令流，多数据流）执行流水线和寄存器堆，可共享访问的L1、L2高速缓冲。Jazelle-RCT技术、TrustZone、AXI高带宽系统总路线。

使用此版本的处理器核：ARM Cortex

ARM体系结构的变种及命名格式

1、Thumb指令集（T变种）

Thumb[θʌm]指令集是将ARM指令集中的一部分指令重新编码形成的一个子集, Thumb指令长度是16位的。使用Thumb指令可以得到比ARM指令更高的代码密度，这有助于减小系统的存储器容量，从而降低系统的成本。另外，对于数据线是8或16位的系统，使用Thumb指令集可以取得好于使用ARM指令集的性能。在ARM体系命名中通用“T”来表示该版本支持Thumb指令集。在ARMv4T中使用v1版Thumb指令集；ARMv5T使用v2版的Thumb指令集。和Thumb v1相比Thumb v2 具有如下特点：

通过对指令的修改，来提高ARM指令和Thumb指令混合使用是的效率。

增加软件断点指令。

严格定义了Thumb乘法指令对条件标志位的影响。

与ARM指令集相比，Thumb指令集具有以下局限性：

完成相同的操作，Thumb指令通常需要更多的指令。

Thumb指令集没有包含进行异常处理时需要的一些指令，异常返回时需要从ARM状态返回。

2 长乘法指令（M变种）

M变种增加了两条用于进行长乘法的ARM指令。其中一条用于实现32位整数乘以32位整数，生成64位整数的长乘法操作；另一条指令用于实现32位整数乘以32位位整数，然后加上32位整数，生成64位整数的长乘加操作。

3 增强型DSP指令（E变种）

E变种包含了一些附加的指令，这些指令用于增强处理器对一些典型的DSP