一篇文章读懂ARM架构(附ARM授权使用方及相关产品目录)

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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:

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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。

那么,为了清楚地表达每个ARM应用实例所使用的指令集,ARM公司定义了几种主要的ARM指令集结构版本,以版本号V1-V8表示。V1架构只要原型机ARM1出现过,只有26位寻址空间,没有用于商业产品。

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ARM架构及其家族系列

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ARMv2架构

该版本架构对V1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Cache的ARM处理器。

ARMv3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就是版本3的ARM6。它作为IP核、独立的处理器、具有片上高速缓存、MMCU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相兼容的版本3。版本3M引入了有符号和无符号数乘法和乘加指令。

ARMv4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架构,ARM7、ARM8、ARM9和Strong ARM均采用了该架构。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。

ARMv5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。

ARMv6架构

V6版架构于2001年正式发布,首先被应用在ARM11处理器。V6版架构在降低耗电量的同时,还强化了图形处理性能。它还引进了包括单指令多数据(SIMD) 运算在内的一系列新功能。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。此外,还引进了作为ARMv6体系结构的变体的Thumb-2和TrustZone技术。

ARMv7架构

全新的ARMv7架构是在ARMv6架构的基础上诞生的。ARMv7架构采用了Thumb-2技术,它是在ARM的Thumb代码压缩技术的基础上发展出来的,并且保持了对已存ARM解决方案的完整的代码兼容性。此外,ARMv7还支持改良的运行环境,来迎合不断增加的JIT和DAC技术的使用。ARMv7架构还包括 NEON™ 技术扩展,可将DSP和媒体处理吞吐量提升高达400%,并提供改进的浮点支持以满足下一代3D图形和游戏以及传统嵌入式控制应用的需要。

ARMv8架构

ARMv8是ARM公司的首款支持64位指令集的处理器架构。由于ARM处理器的授权内核被广泛用于手机等诸多电子产品,故ARMv8架构作为下一代处理器的核心技术而受到普遍关注。ARMv8是在32位ARM架构上进行开发的,主要被用于对扩展虚拟地址和64位数据处理技术有更高要求的产品领域。ARMv8是近20年来,ARM架构变动最大的一次。它引入的Execution State、Exception Level、Security State等新特性,已经和我们对旧的ARM架构的认知。

 

ARM授权方式

ARM授权方式主要有三种:架构层级授权、内核层级授权、使用层级授权。譬如,苹果A6处理器使用的是ARMv7-A指令集,由于得到了ARM公司架构层级授权所以苹果公司可以对ARM架构进行大幅度改造,甚至可以对ARM指令集进行扩展或缩减,从而出现了苹果公司自己的“Swift架构”。

而ST公司的STM32系列单片机是以ARM Cortex-M3内核为基础然后在加上自己的外设,最后形成了自己的MCU。TI公司并没有权限去对Cortex-M3内核进行改造,所以TI公司获得的应该是内核层级授权。以下是ARM授权使用方:

 

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意法半导体(ST)基于ARM处理器/微控器的产品主要有:

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