详谈ARM架构与ARM内核发展史

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作者 | 架构师技术联盟

责编 | 阿秃

1、ARM架构与ARM内核

1.1 ARM架构与内核简述

目前为止，ARM总共发布8种架构：ARMv1、ARMv2、ARMv3、ARMv4、ARMv5、ARMv6、ARMv7 、ARMv8，这是ARM架构指令集的多个v版本。

基于不同的ARM架构可以设计出不同特点的内核处理器。比如基于ARMv3架构设计出的处理器ARM6、ARM7，这两款处理器适用于不同的场景，硬件可能不同，但是架构指令集是一样的。

好比盖房子，刚开始因为水平低流行盖平房，这就是一种架构(ARMv5)，然后这种平房架构你可以设计出一款独立卫生间的款式， 这叫ARM7内核。 然后其他人(芯片设计公司)想盖房子的就买你这个图纸去盖，接着过一段时间，有人觉得光独立卫生间还不够啊， 我还想有个小院子! 好吧，那ARM就满足你们的要求，出个带小院子的款式(ARM9)。

即ARMv1/2/3等是指令集的架构，ARM7/9等是基于架构设计出的内核处理器。ARM的架构都是基于RISC指令集而设计的，内核是实现这一指令集的硬件架构的基础。

1.2  ARM各架构之间区别

1.2.1 ARM版本Ⅰ：V1版架构

该版架构只在原型机ARM1出现过，只有26位的寻址空间，没有用于商业产品。其基本性能有:

• 基本的数据处理指令（无乘法）；
• 基于字节、半字和字的Load/Store指令;
• 转移指令，包括子程序调用及链接指令；
• 供操作系统使用的软件中断指令SWI；
• 寻址空间：64MB（226）。

1.2.2 ARM版本Ⅱ：V2版架构

该版架构对V1版进行了扩展，例如ARM2和ARM3（V2a）架构。包含了对32位乘法指令和协处理器指令的支持。

版本2a是版本2的变种，ARM3芯片采用了版本2a，是第一片采用片上Cache的ARM处理器。同样为26位寻址空间，现在已经废弃不再使用。V2版架构与版本V1相比，增加了以下功能：

• 乘法和乘加指令；
• 支持协处理器操作指令；
• 快速中断模式；
• SWP/SWPB的最基本存储器与寄存器交换指令;
• 寻址空间：64MB。

1.2.3 ARM版本Ⅲ: V3版架构

ARM作为独立的公司，在1990年设计的第一个微处理器采用的是版本3的ARM6。它作为IP核、独立的处理器、具有片上高速缓存、MMU和写缓冲的集成CPU。

变种版本有3G和3M。版本3G是不与版本2a向前兼容的版本3，版本3M引入了有符号和无符号数乘法和乘加指令，这些指令产生全部64位结果。V3版架构（ 目前已废弃 ）对ARM体系结构作了较大的改动：

• 寻址空间增至32位（4GB）；
• 当前程序状态信息从原来的R15寄存器移到当前程序状态寄存器CPSR中（Current Program Status Register）;
• 增加了程序状态保存寄存器SPSR（SavedProgram Status Register）；
• 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/MSR指令，以访问新增的CPSR/SPSR寄存器；
• 增加了从异常处理返回的指令功能。

1.2.4 ARM版本Ⅳ: V4版架构

V4版架构在V3版上作了进一步扩充，V4版架构是目前应用最广的ARM体系结构，ARM7、ARM8、ARM9和StrongARM都采用该架构。

V4不再强制要求与26位地址空间兼容，而且还明确了哪些指令会引起未定义指令异常。指令集中增加了以下功能：

• 符号化和非符号化半字及符号化字节的存/取指令；
• 增加了T变种，处理器可工作在Thumb状态，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;
• 把一些未使用的指令空间捕获为未定义指令

1.2.5 ARM版本Ⅴ: V5版架构

V5版架构是在V4版基础上增加了一些新的指令，ARM10和Xscale都采用该版架构。这些新增命令有：

• 带有链接和交换的转移BLX指令；
• 计数前导零CLZ指令；
• BRK中断指令；
• 增加了数字信号处理指令（V5TE版）； 为协处理器增加更多可选择的指令
• 改进了ARM/Thumb状态之间的切换效率；
• E---增强型DSP指令集，包括全部算法操作和16位乘法操作；
• J----支持新的JAVA，提供字节代码执行的硬件和优化软件加速功能。

1.2.6 ARM版本Ⅵ: V6版架构

V6版架构是2001年发布的，首先在2002年春季发布的ARM11处理器中使用。在降低耗电量地同时，还强化了图形处理性能。通过追加有效进行多媒体处理的SIMD (Single Instruction, Multiple Data，单指令多数据 )功能，将语音及图像的处理功能提高到了原型机的4倍。此架构在V5版基础上增加了以下功能：

• THUMBTM：35%代码压缩；
• DSP扩充：高性能定点DSP功能；
• JazelleTM：Java性能优化，可提高8倍；
• Media扩充：音/视频性能优化，可提高4倍

2、ARM产品型号

2.1 内核产品型号

基于各ARM架构设计的内核型号如下图所示：

目前常见的指令集的说明：ARMv7之前均为32位总线位宽，从ARMv8开始扩展为64位总线位宽（数据总线、地址总线、控制总线位宽均为64位，一般寻址空间不会用满）。

2.2 产品命名规则

ARM处理器命名规则和格式：ARM x y z T D M I E J F -S

• x：序列
• y：2：带MMU， 4带MPU，6没有
• z：0：标准cache，2：减小的cache， 6可变的cache
• T：处理器支持Thumb指令集
• D：支持JTAG调试器
• M：支持长乘法指令
• I：有嵌入式跟踪宏单元
• E：支持增强指令（基于TDMI）
• J：支持JAVA硬件加速（Jazelle）
• F：支持向量浮点单元
• S：可综合版本

2.3 内核产品应用

• ARM7：ARMv4架构
• ARM9：ARMv5架构
• ARM11：ARMv6架构
• ARM-Cortex 系列：ARMv7架构。

ARM7没有MMU(内存管理单元)，只能叫做MCU（微控制器），不能运行诸如Linux、WinCE等这些现代的多用户多进程操作系统，因为运行这些系统需要MMU，才能给每个用户进程分配进程自己独立的地址空间。ucOS、ucLinux这些精简实时的RTOS不需要MMU，当然可以在ARM7上运行。

ARM9、ARM11，是嵌入式CPU（处理器），带有MMU，可以运行诸如Linux等多用户多进程的操作系统，应用场合也不同于ARM7。

到了ARMv7架构的时候开始以Cortex来命名，并分成Cortex-A、Cortex-R、Cortex-M三个系列。三大系列分工明确：

• “A”系列面向尖端的基于虚拟内存的操作系统和用户应用；
• “R”系列针对实时系统；
• “M”系列对微控制器。简单的说Cortex-A系列是用于移动领域的CPU，Cortex-R和Cortex-M系列是用于实时控制领域的MCU。

1、Cortex-M系列：M-Profile，即"Microntroller"- Profile，侧重微控制器单片机方面的场合。

2、Cortex-R系列：R-Profile，即"Real-Time"-Profile，侧重于实时系统的场合。

3、Cortex-A系列：A-Profile，即“Application”-Profile，侧重于应用功能的场合。

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