ARM处理器

介绍

ARM是英文Advanced RISC Machines 的缩写，中文翻译为高性能 RISC 机器。从名称可以看出来，ARM 是一种基于 RISC 架构的高性能处理器。然而实际上，ARM 也是它的设计公司的名称。与其他嵌入式芯片不同，ARM 是由 ARM 公司设计的一种体系结构，主要用于出售技术授权，不直接生产芯片。诸如三星、华为、高通等公司可以通过购买 ARM 的授权，设计和生产基于 ARM 体系的芯片。
目前，采用 ARM 体系的微处理器已广泛分布在消费电子、工业控制、通信和网络等领域。全球范围内，使用 ARM 授权生产微处理器芯片的厂商不止数十家。以前手机控制芯片大多采用 DSP （一种处理数字信号的芯片），现在越来越多的手机芯片厂商使用 ARM 体系结构设计手机处理芯片。

功能特点

ARM 核心的处理器采用 RISC 体系结构，具有以下特点：

• 芯片体积小，功耗低，制造成本低，性能优异
• 支持 Thumb （16位）和 ARM（32位）两种指令集，8位和16位设备兼容性好
• 由于采用 RISC 架构，在内部大量使用寄存器，执行指令速度快
• 大部分的指令都是操作寄存器，少数指令会访问外部内存
• 采用多级流水线结构处理速度快
• 支持多种寻址方式，数据存取方式灵活
• 指令长度固定，便于编译器操作和执行指令

ARM 采用 RISC（精简指令集）。RISC 的最大特点是所有的指令占用相同的存储空间。ARM 处理器支持 ARM 和 Thumb 两种指令集：ARM 指令集工作在32位模式下，指令长度为32b；Thumb 指令集工作在16位模式下，指令长度为16b。
ARM 指令集按照功能可以分为算数运算指令、逻辑运算指令、分支指令、软件中断指令和程序数据装载指令等。

工作模式

ARM 处理器支持7种工作模式，具体工作模式如下：

• 用户模式（usr）：正常的程序执行状态
• 快速中断模式（fiq）：高速数据传输和通道处理
• 外部中断模式（irq）：通用外部中断
• 管理模式（svc）：操作系统使用
• 数据访问终止模式（abt）：虚拟内存和存储保护使用
• 系统模式（sys）：运行具有特权的操作系统任务
• 未定义模式（und）：执行了不存在指令进入改模式

其它

系统软件和外部中断都可以改变 ARM 处理器的工作模式。在产生异常时，会导致处理器模式切换。

ARM 处理器采用一种线性的存储管理模式。这种管理模式的特点，系统内所有的存储器和外部设备都被安排到一个统一的地址空间内，通过地址映射到不同设备，在访问某个设备时只需要访问该设备映射的内存地址即可。并且 ARM 支持大字端和小字端两种存储模式，用户可以自行选择。

ARM 常见的寻址方式：

• 立即寻址
• 寄存器寻址
• 寄存器偏移寻址
• 寄存器间接寻址
• 基址寻址
• 多寄存器寻址
• 栈寻址

ARM 的原型选择

• ARM 核心：根据相应的操作系统选择合适的核心
• 时钟控制器：ARM 芯片的处理能力时钟速度起到决定作用。常见的 ARM7 处理器时钟频率在 20~133MHz 之间，ARM9 处理器时钟频率在 100~233MHz之间。
• 内部存储器：许多芯片带有内部存储器 FLASH 和 RAM
• 中断控制器：标准的内核仅支持 FIQ 和 IRQ 两种中断，但有的芯片会把所有的 GPIO 口设计为可以作为外部中断输入
• GPIO：重要指标，芯片支持较多的 GPIO 引脚，对用户开发和扩展有很大空间
• RTC：实时时钟控制器，用户可以通过 RTC 控制器的数据寄存器直接获得当前日期和时间
• 串行控制器：目前多数 ARM 芯片内集成的 UART 控制器波特率在25600Bps内，可以查看芯片参数获得更高波特率的芯片
• WatchDog：看门狗计时器
• 电源管理功能：一般芯片有省电模式、睡眠模式和关闭模式
• DMA控制器：可以直接访问硬盘等外部高速数据设备
• I2C接口：芯片间通信方式，结构简单成本低
• ADC 和 DAC 控制器：方便处理模拟信号
• LCD 控制器：可以提供友好的界面
• USB接口：流行的数据接口
• I2S接口：集成音频接口，可以把解码后的音频数据输出到音频设备上