ARM体系架构解析
arm架构原理
arm架构原理ARM架构原理ARM架构是一种广泛应用于移动设备、嵌入式系统和智能家居等领域的计算机处理器架构。
它的设计理念注重低功耗和高性能，并且具有高度的可伸缩性和灵活性。
本文将介绍ARM架构的原理和特点。
1. ARM架构的历史ARM（Advanced RISC Machines）是由英国公司ARM Holdings 开发的一种精简指令集（RISC）架构。
ARM公司成立于1990年，最初是作为Acorn计算机公司的一个子公司，致力于开发用于Acorn电脑的低功耗、高性能的处理器。
随着移动设备市场的崛起，ARM架构逐渐被广泛应用于手机、平板电脑和其他移动设备中。
2. ARM架构的特点ARM架构的特点之一是精简指令集。
它采用了较少的指令集，每条指令的执行时间短，可以提高系统的性能。
此外，ARM架构还支持多级流水线和乱序执行等技术，进一步提高了处理器的效率。
另一个特点是低功耗。
ARM架构的设计注重节能，通过优化电路设计、降低电压和频率等方式来降低功耗。
这使得ARM处理器在移动设备等对电池寿命要求较高的环境中表现出色。
ARM架构还具有高度的可伸缩性和灵活性。
ARM公司提供了多个不同的处理器核心和架构版本，以满足不同市场和应用的需求。
开发者可以根据具体需求选择适合的ARM架构，从而实现性能和功耗的最佳平衡。
3. ARM架构的工作原理ARM架构的处理器由多个功能单元组成，包括指令译码器、运算单元、存储器和控制单元等。
当程序运行时，处理器从内存中读取指令，并按照指令集的规则进行解码和执行。
ARM架构采用的是load-store架构，即所有的数据访问都通过加载和存储指令来完成。
这种架构的优点是简化了指令集和硬件设计，提高了处理器的性能和效率。
ARM架构还支持条件执行和分支预测等技术。
条件执行允许指令根据特定条件是否满足来决定是否执行，从而减少了分支指令的使用，提高了程序的执行效率。
分支预测则是根据过去的执行情况来预测分支指令的执行路径，以减少分支带来的延迟。
arm架构通俗理解
arm架构通俗理解ARM架构是一种非常常见的计算机处理器架构，广泛应用于移动设备、嵌入式系统和低功耗领域。
本文将以通俗易懂的方式介绍ARM 架构的基本概念和特点。
ARM架构最早由英国的ARM公司开发，它的全称是Advanced RISC Machines。
相比于传统的复杂指令集计算机（CISC）架构，ARM采用了精简指令集计算机（RISC）的设计理念，使得处理器的指令集更加简洁高效。
ARM架构的核心特点之一是低功耗。
由于移动设备的电池寿命限制和嵌入式系统对功耗的要求，ARM架构在设计上非常注重节能。
ARM 处理器通过优化指令集和电源管理技术，能够在保证性能的同时，尽量减少功耗的消耗。
另一个重要特点是高性能。
尽管ARM处理器的指令集相对精简，但通过增加指令级并行和高速缓存等技术手段，ARM架构的处理器能够实现较高的性能表现。
这使得ARM架构不仅适用于低功耗领域，也能够满足高性能计算的需求。
ARM架构还具有高度可定制性的特点。
根据不同的应用需求，ARM处理器可以进行各种程度的定制。
这使得ARM架构在不同的领域和市场上有着广泛的应用。
例如，移动设备上的ARM处理器通常会针对功耗和性能进行优化，而服务器和网络设备上的ARM处理器则可能会更加注重多核处理和数据处理能力。
ARM架构还具有较好的软件兼容性。
由于ARM架构的广泛应用和开放性，许多操作系统和软件都提供了ARM平台的支持。
这使得开发人员可以比较轻松地将软件移植到不同的ARM设备上，提高了开发效率和软件的可移植性。
总的来说，ARM架构是一种低功耗、高性能、可定制和软件兼容性好的处理器架构。
它在移动设备、嵌入式系统和低功耗领域有着广泛的应用，并且在高性能计算领域也逐渐崭露头角。
随着物联网和人工智能等新兴领域的发展，ARM架构将继续发挥重要作用，推动计算技术的进步和创新。
ARM体系架构解析ppt课件
2）提供了较大的存储器带宽，各自有自己的
总线。
3）适合于数字信号处理.
4）大多数DSP都是哈佛结构.
5）ARM9是哈佛结构
6）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。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
6）将结果回写到寄存器组（res）
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
流水线技术
❖
三级流水线技术
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
因此，把它称为流水线工作方式。
处理器按照一系列步骤来执行每一条指令。典
型的步骤为：
1）从存储器读取指令（fetch）
2）译码以鉴别它是哪一类指令（dec）
3）从寄存器组取得所需的操作数（reg）
4）将操作数进行组合以得到结果或存储器地址（exe）
5）如果需要，则访问存储器存取数据（mem）
冯·诺依曼体系的特点
1）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。
❖ 2）被早期大多数计算机所采用
❖ 3）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
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
认识ARM Cortex主流架构体系
ARM Cortex主流架构体系深度普及A5、A7、A9、A9 Family/A9 二代Family架构以及其延伸出的大量方案，例如全志A20、炬力ATM 7021、瑞芯微3168、盈方微X15……让许多消费者感到“不明觉厉”。
本文将为“小白”用户作基础知识普及，为大家梳理不同架构的异同，以及其代表的平板方案特性。
为大家购买或学习提供参考。
1、认清ARM的命名ARM公司在经典处理器ARM11以后的产品改用Cortex命名，Cortex系列属于ARMV7架构，这是ARM公司最新的指令集架构。
ARM V7架构定义了三大分工明确的系列：“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。
由于应用领域不同，基于V7架构的Cortex处理器系列所采用的技术也不相同，基于V7A的称为Cortex A系列，基于V7R的称为Cortex R系列，基于V7M的称为Cortex M系列。
2、Cortex A5：最低端利器Cortex A5是Cortex A家族中最低端的。
Cortex A5与Cortex A7、Cortex A8、Cortex A9以及Cortex A15同属于Cortex A系列处理器。
Cortex A5多核处理器利用ARM MPCore技术，Cortex A5处理器包括了TrustZone安全技术，以及在Cortex A8处理器上率先引入的NEON多媒体处理引擎。
NEON技术是用于Cortex A 系列处理器的128 位SIMD（单指令、多数据）架构扩展集，为密集型多媒体应用提供了加速功能。
Cortex A5内部核心数目1-4核可选，采用四核配置时，SOC芯片内部还可搭配Mail GPU或由用户按需求配用PowerVR MBX/SGXGPU。
默认工作电压1.1V,单核核心频率480MHz，四核核心频率可达1GHz，含缓存的核心面积最小仅1平方毫米，一级缓存容量最大64KB，功耗/频率比参数为0.12mW/MHz。
ARM体系结构详解精
ARM嵌入式系统第2章ARM体系结构ARM微处理器的编程模型♦ARM徴处理器的工作状态♦ARM体系结构的存储器格式♦ARM体系结构的指令长度及数据宽度♦ARM微处理器的处理器模式♦ARM体系结构的寄存器组织♦ARM微处理器的异常状态字、半字、字节字（Word）在ARM体系结构中，字的长度为32位半字（Half-Word）在ARM体系结构中，半字的长度为16位字节（Byg）在ARM体系结构中，字节的长度为8位。
ARM微处理器的工作状态（1）字对齐：四字节对齐半字对齐：两字节对齐两种状态:♦ARM状态：处理器执行32位的字对齐的令♦Thumb状态：处理器执行16位的、半字对齐的Thumb指令处理器工作状态的转变并不影响处理器的工作模式和相应寄存器中的内容。
I ARM微处理器的工作状态(2 )状态切换：BX {<cond>} <Rm><cond>指令的条件码。
忽略时无条件执行。
<Rm>子存器中为跳转的目标地址，当<Rm><存器的bit[O]为0时, 目标地址处的指令为ARM指令；当<Rm>^存器的bit[O]为1时，目标地址处的指令为Thumb 指令。
伪代码：if ConditionPassed(cond) thenT Flag=Rm[O]PC=Rm AND OxFFFFFFFEARM微处理器在复位或上电时处于ARM状态，发生异常时处于ARM状态。
右ARM体系结构的存储器格式(1)ARM体系结构所支持的最大寻址空间为4GB (2^字节)♦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(Little Endian)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。
字地址字地址右ARM 体系结构的存储器格式(2)(0H)=0123H (4H)=4567H (8H)=89ABHBig Endian(0H)=3210H (4H)=7654H (8H)=BA98HLittle Endian右ARM 体系结构的存储器格式(3)8 9 AB4 5 6 7 0123一 “A ・■ • rO= 0x11223344 I 11 I 22 33 ： 44 ILittle endian Big endianR2 =异FI*右 ARM 体系结构的指令长度及数据宽度♦指令长度：32位（在ARM 状态下） 16位（在Thumb 状态下）♦数据宽度： 字节（8位） 半字（16位） 字（32位）三种数据宽度对存储器及外部设备的访问。
arm体系结构的特点
arm体系结构的特点ARM体系结构是一种基于RISC（精简指令集电脑）的微型计算机体系结构，它以其高效性和低功耗的特点，成为现代移动设备、智能家居、嵌入式系统等领域的首选芯片。
ARM体系结构的特点如下：1. RISC（精简指令集电脑）体系结构：ARM体系结构以RISC体系结构为基础，相对于CISC（复杂指令集电脑）体系结构而言，指令集更加精简，每个指令执行时间更短。
这种短指令集的优点是更易于实现，并且需要更少的晶体管，从而降低了芯片成本和能源消耗。
2.可扩展型：ARM芯片的内存和外设都可以进行扩展，这使得ARM芯片非常灵活。
用户可以根据实际需求自由添加外围设备和扩展内存，以满足具体的应用要求。
3.处理速度快：ARM芯片通常是多核心的，每个核心都可以执行多个指令，具有各自的缓存，这使得ARM芯片的速度非常快。
在一些高效的应用场合，ARM芯片的速度甚至可以与桌面计算机的处理器相媲美。
4.低功耗：ARM体系结构的低功耗性质也是其的一大特点。
ARM芯片处理器消耗的能量非常少，由于嵌入式系统、移动设备等对能源的限制，ARM低功率处理器在这些设备中应用广泛。
5.易于编程：ARM处理器可以执行任何基本的计算机操作，比如移位、逻辑操作等，这使得编写程序变得简单易行。
在一些专门为ARM芯片设计的编程平台上，开发者很容易编写出高效率的代码。
6.架构标准一致：ARM芯片的设计标准化非常高，这使得基于ARM芯片设计的设备之间的兼容性极高。
如果您在设计设备时使用ARM芯片，您可以放心，您的设备可以与大多数其他ARM芯片的设备以及开发板互通。
7.多种寄存器存储器模式：不同于其他流行的体系结构，ARM体系结构支持多种寄存器存储器模式，从而可以有效地存储更多数据。
这是ARM芯片与其他芯片最显著的不同之处之一。
总之，ARM体系结构作为一种低功耗、高效、易于编程的微型计算机体系结构，成为多种领域的首选芯片。
随着技术的不断发展，ARM芯片的性能和价格都在不断提升，这将进一步拓展ARM芯片的应用范围。
一篇文章读懂ARM架构（附ARM授权使用方及相关产品目录）
一篇文章读懂ARM架构（附ARM授权使用方及相关产品目录）当今处理器一共有三个最强大的架构，一个是以intel和AMD为代表的x86架构（CISC），另一个是手机、平板处理器所使用的ARM 架构（RISC），最后一个是MIPS架构（RISC）。
其中，x86和ARM 架构是公认的在商业化进程中表现最为优秀的两大架构。
ARM架构过去称作进阶精简指令机器（Advanced RISC Machine）,更早时期被称作Acorn RISC Machine,是一位32位精简指令集（RISC）处理器架构，被广泛地使用在嵌入式系统设计中。
ARM属RISC类，走IP授权商业模式，不直接生产IC，采用Fabless方式运营。
在技术上，ARM坚持走与Intel差异化的路线，从而形成了自己庞大的生态系统。
说得直白一点，ARM相当于移动领域的x86,全球有超过95%的移动设备采用ARM设计架构的处理器。
虽然ARM被软银收购了，不过这并不妨碍ARM的发展势头。
凭借着低功耗、低廉价，ARM迅速在移动端杀出了一条血路，其系列家族占了所有32位嵌入式处理器的75%。
今天咱们就来侃一侃伟大的ARM架构：什么是ARM架构？有些人将“指令集体系结构”称为架构，这样就有了ARMv8架构、ARMv7-A架构、ARMv6架构等等，这些都是ARM设计的一些RISC 指令集。
所谓指令集体系结构，就是ARM公司推出的一整套的精简指令，它是计算机最低层的命令，比如说应用程序需要从内存读取数据，那么最后就是通过调用ARM设计的指令是实现内存读取。
不过，也有人将ARM7、ARM9、ARM11以及Cortex等系列内核也称为架构。
譬如，现在ARM主流的架构应该就是智能手机领域的Cortex-A系列架构、工业控制嵌入式领域的Cortex-M系列架构、对稳定性要求高的Cortex-R系列架构等。
值得一提的是，ARM架构在不断演变的同时，仍保持了各个版本之间的兼容性。
ARM体系结构与编程
ARM体系结构与编程
一、ARM体系结构
ARM(Advanced RISC Machine)是由英国ARM公司开发的一种低功耗、超低成本的处理器架构，是移动设备的首选处理器。
ARM架构的处理器有ARM7、ARM9、ARM11、 Cortex-A8 、Cortex-A15等，它们核心架构特点为以下几点：
1.保护模式。
ARM架构的处理器能够在用户模式和两个高级的保护模式之间来回切换。
2.对齐式存储。
ARM架构的处理器采用对齐方式，其二进制指令必须按照固定的位置排列，以便提高存储空间的利用率。
3.浮点处理单元。
ARM架构的处理器具有浮点数处理功能，使数值运算能够高效率地完成。
4.多级缓存。
ARM架构的处理器将原始数据复制到不同级别的快速缓存中，以便快速访问。
二、ARM程序的编程
1、ARM程序的编写
ARM程序的编写可以使用C语言编写，程序开发者需要掌握ARM架构各种中央处理器扩展指令集的使用方法，以便获得更好的效率。
2、编译ARM程序
ARM程序的编译是使用GNU的gcc编译器进行的，它可以将C语言编写的程序编译成ARM架构的机器码，并可以在ARM架构的处理器上运行。
3、调试ARM程序
ARM程序的调试使用GDB程序调试，它可以提供丰富的调试工具，可以跟踪程序执行的步骤，提供全面的程序反馈信息，可以帮助开发者快速定位程序运行出错的地方。
三、总结。
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流水线技术
❖ 三级流水线技术
❖ 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。
ARM存储格式
大端的数据存放格式
小端的数据存放格式
器。
❖ 应用一：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。
❖ 应用二：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。
ARM9TDMI 无
无
5
有
无
无
ARM920T 16K/16k MMU
5
有
无
RISC：精简指令集（Reduced Instruction Set Computer)
❖ 在通道中只包含最有用的指令,只提供简单的操作。 ❖ 确保数据通道快速执行每一条指令
❖ 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。
❖ 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
主要差别：
❖ 寄存器
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。
❖ LOAD –STORE 结构
第二章 ARM技术概述
❖ ARM概述 ❖ ARM体系结构 ❖ Thumb技术介绍
一、ARM概述
ARM是什么？ ❖ Advanced RISC Machines
一个公司的名字——英国知识产权核（IP）设计 公司
一类微处理器的通称 一种技术的名字（ARM微处理器核）
ARM 微处理器的应用领域及特点
ARM处理器的分类 ❖ 基于指令集体系结构的分类
v1，v2，v5，v5TEJ，v6等
❖ 基于处理器内核的分类
ARM7，ARM9，ARM10，ARM11，StrongARM， XScale等
❖ ARM体系结构版本
❖ ������ ������ ARM架构自诞生至今,已经发生了 很大的演变,至今已定义的版本有：
❖ 应用三：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。
❖ 应用四：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。
指令0 指令1 指令2
数据通道
输入
输出
中央处理器
总线
数据存储器
数据0 数据1 数据2
❖ 哈佛体系结构的特点
1）程序存储器与数据存储器分开. 2）提供了较大的存储器带宽，各自有自己的
总线。 3）适合于数字信号处理. 4）大多数DSP都是哈佛结构. 5）ARM9是哈佛结构 6）取指和取数在同一周期进行，提高速度，
ARM9TDMI流水线技术
ARM7TDMI
Instruction Fetch
FETCH
ThumbARM decompress
ARM decode Reg Select
DECODE
Reg
Read Shift
ALU
Reg
Write
EXECUTE
ARM9TDMI
Instruction Fetch
FETCH
❖ ������ ������ V1版架构
❖ ������ ������ V2版架构
❖ ������ ������ V3版架构
❖ ������ ������ V4版架构
❖ ������ ������ V5版架构
❖
V6版架构
❖ V1版架构 ❖ ������ ������ 该版架构只在原型机ARM1出现
❖ V3版架构
把寻址空间增至32位(4G字节), 增加了当前程序状态寄存器CPSR和程序状态保
存寄存器SPSR以便于异常的处理。 增加了中止和未定义二种处理器模式。 ARM6就采用该版架构。 指令集变化如下： 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。
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。
流水线技术
流水线：是把一个重复的过程分解为若干个子过 程，每个子过程可以与其他子过程同时进行。 由于这种工作方式与工厂中的生产流水线十分相似， 因此，把它称为流水线工作方式。 ❖ 处理器按照一系列步骤来执行每一条指令。典 型的步骤为：
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 。
ARM存储格式
❖ 应用五：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处理器的使用量
❖ 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；
增加了16位Thumb指令集
完善了软件中断SWI指令的功能
增加了处理器的特权模式。
❖ V5版架构
❖ ������ ������ 这是最近几年推出ARM架构,在 V4版基本上增加了一些新的指令,ARM10 和XScale都采用该版架构,这些新增指令有：
带有链接和交换的转移BLX指令 计数前导零CLZ指令 BKPT软件断点指令 增加了信号处理指令 为协处理器增加更多可选择的指令
每条指令的执行周期：T= TF+TD+TE+TS
冯·诺依曼体系的特点
❖ 1）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。
❖ 2）被早期大多数计算机所采用 ❖ 3）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
❖ 哈佛体系结构模型
指令寄存器 控制器
总线
程序存储器
❖ V4版架构
❖ ������ ������ V4版架构是目前应用最广的ARM 体系结构,对V3版架构进行了进一步扩充,有 的还引进了16位的Thumb指令集,使ARM使 用更加灵活。ARM7、ARM8、ARM9和 StrongARM都采用该版架构。指令集中增加 了以下功能：
有符号、无符号的半字和有符号字节的 Load/Store指令。
ARM or Thumb Inst Decode
Reg
Reg
Decode Read
DECODE
Shift + ALU
EXECUTE
Memory Access
MEMORY
Reg Write
WRITE
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）。
➢ 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、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
Memory system 2: Cache, MMU, Process ID 4: Cache, MPU 6: Write buffer, no cache
Memory size 0: Cache size (4-128KB) 2: Reduced cache size 6: TCM
Synthesizable
ARM7EJ-S
Unified Cache
无 无
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ8k
8k或4k
无
内存管 理 无 无
MMU
Protecti on Unit
无
流水线级 Thum DS Jazell
别
bPe
3
有无无
3
有无无
3
有无无
3
有无无
3
有有有
❖ARM9 Family
Cache 内存管理 流水线 Thumb DSP Jazelle 级别