ARM架构及ARM指令集、Thumb指令集你了解多少？

1991 年ARM 公司成立于英国剑桥，在成立后的那几年，ARM业绩平平，工程师们也人心惶惶，害怕随时都会失业。在这个情况下，ARM决定改变他们的产品策略——他们不再生产芯片，转而以授权的方式，将芯片设计方案转让给其他公司，即“Partnership”开放模式。

没想到正是这种模式，开创了属于ARM的全新时代。

ARM所采取的是IP(Intellectual Property，知识产权)授权的商业模式，收取一次性技术授权费用和版税提成。

具体来说，ARM有三种授权方式：处理器、POP以及架构授权。

处理器授权是指授权合作厂商使用ARM设计好的处理器，对方不能改变原有设计，但可以根据自己的需要调整产品的频率、功耗等。

POP(processor optimization pack，处理器优化包)授权是处理器授权的高级形式， ARM出售优化后的处理器给授权合作厂商，方便其在特定工艺下设计、生产出性能有保证的处理器。

架构授权是ARM会授权合作厂商使用自己的架构，方便其根据自己的需要来设计处理器(例如后来高通的Krait架构和苹果的Swift架构，就是在取得ARM的授权后设计完成的)。所以，授权费和版税就成了ARM的主要收入来源。除此之外，就是软件工具和技术支持服务的收入。

一、ARM 微处理器的应用领域及特点

ARM处理器市场覆盖率最高、发展趋势广阔，基于ARM技术的32位微处理器，市场的占有率目前已达到80%。绝大多数IC制造商都推出了自己的ARM结构芯片。我国的中兴集成电路、大唐电讯、华为海思、中芯国际和上海华虹，以及国外的一些公司如德州仪器、意法半导体、Philips、Intel、Samsung等都推出了自己设计的基于ARM核的处理器。

工业控制领域：作为32 的RISC 架构，基于ARM 核的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展，ARM 微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8 位/16 位微控制器提出了挑战。

无线通讯领域：目前已有超过85%的无线通讯设备采用了ARM 技术， ARM 以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。

网络设备：随着宽带技术的推广，采用ARM 技术的ADSL 芯片正逐步获得竞争优势。此外，ARM 在语音及视频处理上进行了优化，并获得广泛支持，也对DSP 的应用领域提出了挑战。

消费类电子产品：ARM 技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用。

成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用ARM 技术。手机中的32位SIM 智能卡也采用了ARM 技术。

ARM处理器的特点：

1、体积小、低功耗、低成本、高性能;

2、支持Thumb(16 位)/ARM(32 位)双指令集，能很好的兼容8 位/16 位器件;

3、大量使用寄存器，指令执行速度更快;

4、大多数数据操作都在寄存器中完成;

5、寻址方式灵活简单，执行效率高;

6、指令长度固定;

二、ARM相关的几个重要概念

1.冯·诺依曼体系

冯·诺依曼体系的特点：

A、数据与指令都存储在同一存储区中，取指令与取数据利用同一数据总线。

B、被早期大多数计算机所采用。

C、ARM7——冯诺依曼体系结构简单,但速度较慢。取指不能同时取数据。

2.哈佛体系

结构特点：

A、程序存储器与数据存储器分开.

B、提供了较大的存储器带宽，各自有自己的总线。

C、适合于数字信号处理.

D、大多数DSP都是哈佛结构.

E、ARM9是哈佛结构，取指和取数在同一周期进行，提高速度，改进哈佛体系结构分成三个存储区：程序、数据、程序和数据共用。

3.CISC复杂指令集特点

A、具有大量的指令和寻址方式

B、8/2原则：80%的程序只使用20%的指令

C、大多数程序只使用少量的指令就能够运行。

D、CISC CPU 包含有丰富的单元电路，因而功能强、面积大、功耗大。

4.RISC精简指令集特点

A、在通道中只包含最有用的指令,只提供简单的操作。

B、确保数据通道快速执行每一条指令。

C、Load-store结构—— 处理器只处理寄存器中的数据，load-store指令用来完成数据在寄存器和外部存储器之间的传送。

D、使CPU硬件结构设计变得更为简单， RISC CPU包含较少的单元电路，因而面积小、功耗低。

5.RISC与CISC主要差别

A、寄存器方面

RISC指令集：拥有更多的通用寄存器，每个可以存放数据和地址，寄存器为所有的数据操作提供快速的存储访问。

CISC指令集：多用于特定目的的专用寄存器。

B、LOAD –STORE结构方面

RISC结构：Cpu 仅处理寄存器中的数据，采用独立的、专用的LOAD –STORE 指令来完成数据在寄存器和外存之间的传送。(访存费时，处理和存储分开，可以反复的使用保存在寄存器中的数据，而避免多次访问外存)。

CISC结构：能直接处理存储器中的数据。

三、ARM存储格式

ARM存储器以8位为一个单元存储数据(一个字节)，每个存储单元分配一个存储地址。

ARM将存储器看作是从零地址开始的字节的线性组合。作为32位的微处理器，ARM体系结构所支持的最大寻址空间为4GB(232字节)。从零字节到三字节放置第一个存储的字数据，从第四个字节到第七个字节放置第二个存储的字数据，依次排列。32位的字数据要使用4个地址单元，16位半数据要使用2个地址单元。这样，就存在一个所存储的字或半字数据的排列顺序问题。ARM体系结构可以用两种方法存储字数据，称为大端格式和小端格式。

大端格式(big-endian)：字数据的高字节存储在低地址中，而字数据的低字节则存放在高地址中。

小端格式(low-endian)：与大端存储格式相反。低地址中存放的是字数据的低字节，高地址存放的是字数据的高字节。缺省设置为小端格式。

推荐阅读我前面写的文章：你真的懂CPU大小端模式吗？

四、Thumb技术

ARM的RISC体系结构的发展中已经提供了低功耗、小体积、高性能的方案。而为了解决代码长度的问题，ARM体系结构又增加了T变种，开发了一种新的指令体系，这就是Thumb指令集，它是ARM技术的一大特色。

Thumb是ARM体系结构的扩展。它有从标准32位ARM指令集抽出来的36条指令格式，可以重新编成16位的操作码。这能带来很高的代码密度。

支持Thumb的ARM体系结构的处理器状态可以方便的切换、运行到Thumb状态，在该状态下指令集是16位的Thumb指令集。

与ARM指令集相比.Thumb指令集具有以下局限：

1、完成相同的操作，Thumb指令通常需要更多的指令，因此在对系统运行时间要求苛刻的应用场合ARM指令集更为适合;

2、Thumb指令集没有包含进行异常处理时需要的一些指令，因此在异常中断时，还是需要使用ARM指令，这种限制决定了Thumb指令需要和ARM指令配合使用。