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:

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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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