【科普】ARM架构

参考链接：
ARM、单片机、stm32、51单片机、和开发板的概念、区别
内核cortex和ARM的关系
arm 架构_详谈ARM架构与ARM内核发展史

ARM架构简述

ARM目前总共发布了8种架构：ARMv1、ARMv2、ARMv3、ARMv4、ARMv5、ARMv6、ARMv7、ARMv8。
基于不同架构设计出来的内核处理器在硬件方面可能不同，但是架构的指令集都基于RISC指令集而设计的。

ARM各架构的区别

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)。

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。

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。

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

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。

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

ARM内核型号与产品

Cortex-A：即A-Profile，面向尖端的基于虚拟内存的操作系统和用户应用
Cortex-R：即R-Profile，针对实时系统
Cortex-M：即M-Profile，针对微控制器单片机方面的场合

MMU(内存处理单元)会在程序调用时陷入内核态并保存现场资源和进行额外处理。运行诸如Linux、WinCE等多用户多进程操作系统，都需要MMU，才能为每个用户进程分配独立的地址空间。而运行类似于ucOS、ucLinux的精简实时RTOS则不需要MMU。

ARM命令规则

• 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