armv7-A系列0 - arm 处理器架构发展史

关于 arm

arm 是一家英国公司，负责处理器的设计，将生产部分授权给各大芯片厂商，设计的处理器产品虽然各有命名，在描述的时候，通常习惯性地统称为 arm 处理器。所以，arm 是一类处理器的统称，也可以指 arm 公司。

同时，在早期 arm 将设计的处理器以 arm+version 进行命名，后来将命名方式更改为根据产品特性分为三种类型，A系列、R系列、M系列，这三种系列也是暗合 arm 这个名字。

不光如此，arm 将设计的 arm 指令集架构命名为 armv+num，比如 armv6架构、armv7 架构，所以，arm 这个名称关联很多东西，如果没有一定的了解，很容易分不清其中的概念。尤其是对于处理器命名和 arm 处理器架构命名容易混淆，在下文中我们将讨论这两点。

arm 处理器的主要特点在于性能、成本和功耗，其功耗相对于同级别的其它处理器是非常大的一个亮点，在智能家居、物联网、平板电脑、多媒体数字等处理器领域可以说是统治地位。在中低端领域，可以说是一个后起之秀将一众老牌厂商打得毫无还手之力，但是在同样重要的服务器市场，依旧无法与 intel 分庭抗礼，甚至都不能望其项背，但是最近几年可以逐渐看到 arm 在这方面的野心，至于能不能成功也是未知，毕竟老牌厂商的底蕴不容小觑。

处理器命名

上面提到 arm 处理器的命名分为 A、R、M 三个系列，这三个系列分别代表三种不同的应用领域：

• cortex-A 系列，指的是 Application，主要高性能的处理器，相比于其它两种处理器，特点是增加了内存管理单元 MMU，对于运行大型的应用操作系统，MMU是必不可少的元件。
• cortex-R 系列，指的是 Real time，走的是实时性的特点，一个常见的认知误区是：实时性就是处理快。但是事实上，实时性代表的是处理时间上的确定性和低延迟，即一个操作可以在指定的短时间内完成，MMU 引入的地址转换通常不能满足其实时性的要求，所以 R 系列处理器并不挂载 MMU。
• cortex-M 系列，指的是 Microcontroller，微处理器，主打中低端市场，真实应用场景中，更多的是大型中控搭配小型嵌入式控制系统，小型嵌入式节点通常是海量的，比如智能家居、物联网等等，这一种系统的特点在于低功耗、低成本，相对的高性能，在中低端市场，性价比通常是一个主要的衡量因素。

事实上，arm 处理器的命名并非一直是以 cortex-A、cortex-R、cortex-M 进行命名的，在此之前，arm 处理器的命名为 ARM+version，从第一代的 arm1 到后来的 arm9、arm11，事实上，arm 的处理器从 arm6 开始才慢慢地进入市场，随着市场的逐渐铺开，似乎是发现以 arm+version 命名的局限性，才分化出了 cortex-A、cortex-R、cortex-M 三个系列的命名方式，后续的处理器都就不再采用 arm+version 的命名方式，所以它的命名看起来有点混乱。

指令集架构

很多人分不清指令集和处理器的区别，指令集是处理器使用的指令编码方式，指令集的命名方式为 armv+version，目前是 armv1～armv8，数字越大表示指令集越先进，对于不同的处理器，arm 公司设计的处理器采用了不同的指令集：

在 armv4 之前，还有 armv1-armv3 三个版本，但是这三个版本并没有商用，就不讨论。

armv4 和 armv4T 指令集主要被用在 ARM7TDMI、ARM9920T 等三种处理器上，相对应的，armv5 指令集被应用在 ARM9 系列处理器上居多，而 armv6 指令集被应用在 ARM11 处理器上，同时，在 cortex-M0/M1 上，使用的是 armv6-M类型的指令集。

就目前而言，armv7 指令集是应用最为广泛的，处理器被分为 A、R、M 系列，指令集相对应地也被分为三个对等的系列，armv7-A 对应 cortex-A5～A15处理器，armv7-R 对应 cortex-R4～R7 处理器，armv7-M 对应 cortex-M3、M4 处理器。

不得不说，后续采用的处理器命名的方式相对于 ARM+version 的方式确实要更简单清晰一些。

虽然图中截止显示到 armv7(这是因为我参考的是 armv7 手册，其历史版本自然截止到 armv7)，但是目前 armv8 架构也逐渐盛行，其最大的特点就是 64 位的处理器，对应的主要A系列处理器有 Cortex-A53、A57、A72。

当然，指令集的升级自然伴随着功能的升级，对于每一次指令集的升级所带来的新功能或者优化，参考下图： 

处理器到底指的是什么

对于嵌入式工程师和普通人来说，接触到最多的就是 CPU，CPU 的全称为 center processor unit，翻译过来就是中央处理器，在各种产品宣传中我们也可以听到诸如：三星xxx处理器，苹果xxx处理器、NXP imx6 处理器这样的说法，这样看起来处理器就是 CPU。

但是在 arm 官方手册中，统一以 processor 对产品进行命名，也就是处理器，但是这里的处理器指的只是 IP 核，并不是 CPU，CPU 是芯片厂商在 arm 的 IP 核上进一步封装外设、针脚等元件的产物，所以在这一层面上，arm 处理器只是 CPU 中的一部分，这两者并不相等。

arm处理器内部结构

正如上文中所说，arm 是一家处理器设计厂商，并不负责芯片的生产，而我们手上拿到的基于 arm 的 CPU/MCU 自然是经过了两次设计：arm 的处理器+芯片厂商的封装，以至于我们分不清哪些东西是处理器自带的，而哪些是芯片厂商所添加的，要了解这个，还是需要到处理器手册中寻找答案。

对于 armv7-A 系列的处理器而言，处理器内部包含

• 处理器核心，有单核和多核之分，对称多核应用比较广泛，通常每个核心会包含指令、数据L1缓存，可选的浮点单元，可选的协处理器等等，处理器核心是整个处理器的关键所在，其中包含逻辑运算单元(ALU)、指令取指译码单元、内部寄存器、MMU 等等。
• debug 和 trace 系统
• 中断控制器 GIC
• 各种系统总线，处理器通过控制外设来实现应用功能，其通信方式就是通过系统总线来实现。
• L1、L2 缓存

对于不同的 arm 处理器有一些细微的差别，比如 R、M 系列没有 MMU，缓存上也有区别，不过大体上的实现是差不多的，要了解这些区别需要查看对应的处理器手册。

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