ARM架构及ARM指令集、Thumb指令集你了解多少?

strongerHuang 2019-09-07 21:00

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1991 年ARM 公司成立于英国剑桥,在成立后的那几年,ARM业绩平平,工程师们也人心惶惶,害怕随时都会失业。在这个情况下,ARM决定改变他们的产品策略——他们不再生产芯片,转而以授权的方式,将芯片设计方案转让给其他公司,即“Partnership”开放模式。


没想到正是这种模式,开创了属于ARM的全新时代。


ARM所采取的是IP(Intellectual Property,知识产权)授权的商业模式,收取一次性技术授权费用和版税提成。


具体来说,ARM有三种授权方式:处理器、POP以及架构授权



处理器授权是指授权合作厂商使用ARM设计好的处理器,对方不能改变原有设计,但可以根据自己的需要调整产品的频率、功耗等。


POP(processor optimization pack,处理器优化包)授权是处理器授权的高级形式, ARM出售优化后的处理器给授权合作厂商,方便其在特定工艺下设计、生产出性能有保证的处理器。


架构授权是ARM会授权合作厂商使用自己的架构,方便其根据自己的需要来设计处理器(例如后来高通的Krait架构和苹果的Swift架构,就是在取得ARM的授权后设计完成的)。所以,授权费和版税就成了ARM的主要收入来源。除此之外,就是软件工具和技术支持服务的收入。


一、ARM 微处理器的应用领域及特点
ARM处理器市场覆盖率最高、发展趋势广阔,基于ARM技术的32位微处理器,市场的占有率目前已达到80%。绝大多数IC制造商都推出了自己的ARM结构芯片。我国的中兴集成电路、大唐电讯、华为海思、中芯国际和上海华虹,以及国外的一些公司如德州仪器、意法半导体、Philips、Intel、Samsung等都推出了自己设计的基于ARM核的处理器。


工业控制领域:作为32 的RISC 架构,基于ARM 核的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额,同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展,ARM 微控制器的低功耗、高性价比,向传统的8 位/16 位微控制器提出了挑战。


无线通讯领域:目前已有超过85%的无线通讯设备采用了ARM 技术, ARM 以其高性能和低成本,在该领域的地位日益巩固。


网络设备:随着宽带技术的推广,采用ARM 技术的ADSL 芯片正逐步获得竞争优势。此外,ARM 在语音及视频处理上进行了优化,并获得广泛支持,也对DSP 的应用领域提出了挑战。


消费类电子产品:ARM 技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用。


成像和安全产品:现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用ARM 技术。手机中的32位SIM 智能卡也采用了ARM 技术。

ARM处理器的特点:

1、体积小、低功耗、低成本、高性能;

2、支持Thumb(16 位)/ARM(32 位)双指令集,能很好的兼容8 位/16 位器件;

3、大量使用寄存器,指令执行速度更快;

4、大多数数据操作都在寄存器中完成;

5、寻址方式灵活简单,执行效率高;

6、指令长度固定;


二、ARM相关的几个重要概念
1.冯·诺依曼体系

冯·诺依曼体系的特点:

A、数据与指令都存储在同一存储区中,取指令与取数据利用同一数据总线。

B、被早期大多数计算机所采用。

C、ARM7——冯诺依曼体系结构简单,但速度较慢。取指不能同时取数据。


2.哈佛体系

结构特点:

A、程序存储器与数据存储器分开.

B、提供了较大的存储器带宽,各自有自己的总线。

C、适合于数字信号处理.

D、大多数DSP都是哈佛结构.

E、ARM9是哈佛结构,取指和取数在同一周期进行,提高速度,改进哈佛体系结构分成三个存储区:程序、数据、程序和数据共用。


3.CISC复杂指令集特点

A、具有大量的指令和寻址方式

B、8/2原则:80%的程序只使用20%的指令

C、大多数程序只使用少量的指令就能够运行。

D、CISC CPU 包含有丰富的单元电路,因而功能强、面积大、功耗大。


4.RISC精简指令集特点

A、在通道中只包含最有用的指令,只提供简单的操作。

B、确保数据通道快速执行每一条指令。

C、Load-store结构—— 处理器只处理寄存器中的数据,load-store指令用来完成数据在寄存器和外部存储器之间的传送。

D、使CPU硬件结构设计变得更为简单, RISC CPU包含较少的单元电路,因而面积小、功耗低。


5.RISC与CISC主要差别

A、寄存器方面

RISC指令集:拥有更多的通用寄存器,每个可以存放数据和地址,寄存器为所有的数据操作提供快速的存储访问。

CISC指令集:多用于特定目的的专用寄存器。


B、LOAD –STORE结构方面

RISC结构:Cpu 仅处理寄存器中的数据,采用独立的、专用的LOAD –STORE 指令来完成数据在寄存器和外存之间的传送。(访存费时,处理和存储分开,可以反复的使用保存在寄存器中的数据,而避免多次访问外存)。

CISC结构:能直接处理存储器中的数据。


三、ARM存储格式

ARM存储器以8位为一个单元存储数据(一个字节),每个存储单元分配一个存储地址。


ARM将存储器看作是从零地址开始的字节的线性组合。作为32位的微处理器,ARM体系结构所支持的最大寻址空间为4GB(232字节)。从零字节到三字节放置第一个存储的字数据,从第四个字节到第七个字节放置第二个存储的字数据,依次排列。32位的字数据要使用4个地址单元,16位半数据要使用2个地址单元。这样,就存在一个所存储的字或半字数据的排列顺序问题。ARM体系结构可以用两种方法存储字数据,称为大端格式和小端格式。


大端格式(big-endian):字数据的高字节存储在低地址中,而字数据的低字节则存放在高地址中。


小端格式(low-endian):与大端存储格式相反。低地址中存放的是字数据的低字节,高地址存放的是字数据的高字节。缺省设置为小端格式。



推荐阅读我前面写的文章:你真的懂CPU大小端模式吗?

四、Thumb技术
ARM的RISC体系结构的发展中已经提供了低功耗、小体积、高性能的方案。而为了解决代码长度的问题,ARM体系结构又增加了T变种,开发了一种新的指令体系,这就是Thumb指令集,它是ARM技术的一大特色。


Thumb是ARM体系结构的扩展。它有从标准32位ARM指令集抽出来的36条指令格式,可以重新编成16位的操作码。这能带来很高的代码密度。


支持Thumb的ARM体系结构的处理器状态可以方便的切换、运行到Thumb状态,在该状态下指令集是16位的Thumb指令集。


与ARM指令集相比.Thumb指令集具有以下局限:
1、完成相同的操作,Thumb指令通常需要更多的指令,因此在对系统运行时间要求苛刻的应用场合ARM指令集更为适合;


2、Thumb指令集没有包含进行异常处理时需要的一些指令,因此在异常中断时,还是需要使用ARM指令,这种限制决定了Thumb指令需要和ARM指令配合使用。
来源:电子工程专辑)


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