淺談ARM處理器的特點和體系結構

這里概述的都是一些傳統意義上ARM 處理器的一些方面，提醒自己看了之后會想起相關知識，或是對ARM有一個總體上的概念，其實都是些簡述性的總結，很多都來自網上資料或教學課件，貼在這里，方便以后隨時隨地的復習！

ARM微處理器包括ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、SecurCore、以及Intel的StrongARM、XScale和其它廠商基于ARM體系結構的處理器，除了具有ARM體系結構的共同特點以外，每一個系列的ARM微處理器都有各自的特點和應用領域。

一、總的來說ARM處理器的一些特點：

1、采用RISC架構的ARM微處理器一般具有如下特點：

支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集，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處理器具有更好的代碼密度；

●????????指令執行采用3級流水線/5級流水線技術；

●????????帶有指令Cache和數據Cache，大量使用寄存器，指令執行速度更快。大多數數據操作都在寄存器中完成。尋址方式靈活簡單，執行效率高。指令長度固定（在ARM狀態下是32位，在Thumb狀態下是16位）；

●????????支持大端格式和小端格式兩種方法存儲字數據；

●????????支持Byte（字節，8位）、Halfword（半字，16位）和Word（字，32位）三種數據類型。

●????????支持用戶、快中斷、中斷、管理、中止、系統和未定義等7種處理器模式，除了用戶模式外，其余的均為特權模式；

●????????處理器芯片上都嵌入了在線仿真 ICE-RT邏輯，便于通過JTAG來仿真調試ARM體系結構芯片，可以避免使用昂貴的在線仿真器。另外，在處理器核中還可以嵌入跟蹤宏單元ETM，用于監控內部總線，實時跟蹤指令和數據的執行；

●????????具有片上總線AMBA（Advanced Micro-controller Bus Architecture）。?AMBA定義了3組總線：先進高性能總線AHB（Advanced High performance Bus）；先進系統總線ASB（Advanced System Bus）；先進外圍總線APB（Advanced Peripheral Bus）。通過AMBA可以方便地擴充各種處理器及I/O，可以把DSP、其他處理器和I/O（如UART、定時器和接口等）都集成在一塊芯片中；

●????????采用存儲器映像I/O的方式，即把I/O端口地址作為特殊的存儲器地址；

●????????具有協處理器接口。ARM允許接16個協處理器，如CP15用于系統控制，CP14用于調試控制器；

●????????采用了降低電源電壓，可工作在3.0V以下；減少門的翻轉次數，當某個功能電路不需要時禁止門翻轉；減少門的數目，即降低芯片的集成度；降低時鐘頻率等一些措施降低功耗；

●????????體積小、低成本、高性能。

2、一個典型的ARM體系結構：

包含有32位ALU、31個32位通用寄存器及6位狀態寄存器、32×8位乘法器、32×32位桶形移位寄存器、指令譯碼及控制邏輯、指令流水線和數據／地址寄存器等。

1）．ALU

ARM體系結構的ALU與常用的ALU邏輯結構基本相同，由兩個操作數鎖存器、加法器、邏輯功能、結果及零檢測邏輯構成。ALU的最小數據通路周期包含寄存器讀時間、移位器延遲、ALU延遲、寄存器寫建立時間、雙相時鐘間非重疊時間等幾部分。

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、環移n位和算術右移n位等都可以一次完成，可以有效的減少移位的延遲時間。在桶形移位寄存器中，所有的輸入端通過交叉開關（Crossbar）與所有的輸出端相連。交叉開關采用NMOS晶體管來實現。

3）．高速乘法器

ARM為了提高運算速度，采用兩位乘法的方法，2位乘法可根據乘數的2位來實現“加－移位”運算。ARM的高速乘法器采用32×8位的結構，完成32×2位乘法也只需5個時鐘周期。

4）．浮點部件

在ARM體系結構中，浮點部件作為選件可根據需要選用，FPA10浮點加速器以協處理器方式與ARM相連，并通過協處理器指令的解釋來執行。

浮點的Load/Store指令使用頻度要達到67％，故FPA10內部也采用Load/Store結構，有8個80位浮點寄存器組，指令執行也采用流水線結構。

5）．控制器

ARM的控制器采用硬接線的可編程邏輯陣列PLA，其輸入端有14根、輸出端有40根，分散控制Load/Store多路、乘法器、協處理器以及地址、寄存器ALU和移位器。

6）．寄存器

ARM內含37個寄存器，包括31個通用32位寄存器和6個狀態寄存器。

3、ARM7系列微處理器：

包括ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ幾種類型。其中，ARM7TDMI是目前使用最廣泛的32位嵌入式RISC處理器，主頻最高可達130MIPS，采用能夠提供0.9MIPS/MHz的三級流水線結構，內嵌硬件乘法器（Multiplier），支持16為壓縮指令集Thumb，嵌入式ICE，支持片上Debug，支持片上斷點和調試點。指令系統與ARM9系列、ARM9E系列和ARM10E系列兼容，支持Windows CE、Linux、Palm OS等操作系統。典型產品如Samsung公司的S< xmlnamespace prefix ="st1" ns ="urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags" />3C4510B。

ARM7TDMI處理器內核：

n???????ARM7TDMI還提供了存儲器接口、MMU接口、協處理器接口和調試接口，以及時鐘與總線等控制信號，如圖2.2.2所示。

n???????存儲器接口包括了32位地址A[31:0］、雙向32位數據總線D[31:0]、單向32位數據總線DIN[31:0]與DOUT[31:0]、以及存儲器訪問請求MREQ、地址順序SEQ、存儲器訪問控制MAS[1:0和數據鎖存控制BL[3:0]等控制信號。

n???????ARM7TDMI處理器內核也可以ARM7TDMI-S軟核（Softcore）形式向用戶提供。同時，提供多種組合選擇，例如可以省去嵌入式ICE單元等。

n???????2．ARM720T/ARM740T處理器內核

n???????ARM720T處理器內核是在ARM7TDMI處理器內核基礎上，增加8KB的數據與指令Cache，支持段式和頁式存儲的MMU（Memory Management Unit）、寫緩沖器及AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）接口而構成，如圖2.2.3所示。

n???????ARM740T處理器內核與ARM720T處理器內核相比，結構基本相同，ARM740T處理器核沒有存儲器管理單元MMU，不支持虛擬存儲器尋址，而是用存儲器保護單元來提供基本保護和Cache的控制。合適低價格低功耗的嵌入式應用。

4、ARM9微處理器

ARM9系列微處理器包含ARM920T、ARM922T和ARM940T幾種類型，可以在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。采用5級整數流水線，指令執行效率更高。提供1.1MIPS/MHz的哈佛結構。支持數據Cache和指令Cache，具有更高的指令和數據處理能力。?支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。支持32位的高速AMBA總線接口。全性能的MMU，支持Windows CE、Linux、Palm OS等多種主流嵌入式操作系統。MPU支持實時操作系統。

ARM920T處理器核在ARM9TDMI處理器內核基礎上，增加了分離式的指令Cache和數據Cache，并帶有相應的存儲器管理單元I-MMU和D-MMU、寫緩沖器及AMBA接口等。

ARM9系列微處理器主要應用于無線通信設備、儀器儀表、安全系統、機頂盒、高端打印機、數字照相機和數字攝像機等。典型產品如Samsung公司的S3C2410A。