01.ARM目录

02.前言

本文不涉及ARM编程（代码），此文仅仅是对ARM做一个了解，康康他是一个什么东西。
想要做好一件事的必要前提是：工欲善其事，必先利其器。
这也就是我为啥要写这篇不涉及编程的文章的原因，知道（了解）ARM，会让我们后面的学习有一个更加直观的认识。

03.计算机体系结构分类

计算机的发展有两种主流体系结构：

• 冯·诺依曼结构
  冯·诺依曼机：将数据和指令都存储在存储器中的计算机。
  计算系统由一个中央处理单元（CPU）和一个存储器组成。存储器拥有数据和指令，并且可以根据所给的地址对它进行读或写。因此程序指令和数据的宽度相同；如：Intel 8086、ARM7、MIPS处理器等
• 哈佛体系结构
  哈佛机：为数据和程序提供了各自独立的存储器。
  程序计数器只指向程序存储器而不指向数据存储器，这样做的后果是很难在哈佛机上编写出一个自修改的程序。
  独立的程序存储器和数据存储器为数字信号处理提供了较高的性能。
  指令和数据可以有不同的数据宽度；具有较高的效率；如摩托罗拉公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列、ARM10系列等

ps: ARM 7使用冯·诺依曼体系结构,ARM 9使用哈佛体系结构。

04.ARM公司

既然我们要了解ARM，那么就一定要了解一下ARM的提出者，ARM公司。

ARM是Advanced RISC Machines的缩写，它是一家微处理器行业的知名企业，该企业设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC （精简指令集）处理器。

1985年第一个ARM原型在英国剑桥诞生。
公司的特点是只设计芯片，而不生产。它提供ARM技术知识产权（IP）核，将技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和OEM厂商，并提供服务。

有ARM7/ARM9等多个版本。除了一些Unix图形工作站外，大多数ARM核心的处理器都使用在嵌入领域。
ARM，既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。

05.ARM应用领域

最主要的一个领域：嵌入式领域，主要服务于嵌入式微处理器.

到目前为止，基于ARM技术的微处理器应用约占据了32位嵌入式微处理器75％以上的市场份额。
全球80%的GSM/3G手机、99%的CDMA手机以及绝大多数PDA产品均采用ARM体系的嵌入式处理器。
“掌上计算”相关的所有领域皆为其所主宰。
主要应用：消费类电子，无线、图像应用开放平台、存储、自动化、智能卡、SIM卡等。
ARM处理器的三大特点：耗电少功能强、16位/32位双指令集、众多合作伙伴。

06.ARM基本架构

首先，我们看一张ARM嵌入式架构图，例：

这里是应用软件(Apply software) 在ARM硬件设备上的抽象图：

07.ARM各体系架构版本

7.1 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）。

7.2 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。

7.3 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（Saved Program 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。

7.4 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

7.5 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。

7.6 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

08.ARM处理器系列

ARM公司开发了很多系列的ARM处理器核，目前最新的系列已经是ARM11。
ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10为4个通用处理器系列。
每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。
ARM7系列
ARM9系列
ARM9E系列
ARM10E系列
ARM11系列
SecurCore系列
Intel的Xscale
Intel的StrongARM

09.ARM处理器结构

• ARM和Thumb状态
• RISC技术
• 流水线技术
• 超标量技术

9.1 ARM和Thumb状态

V4版以后有：
（1）32位ARM指令集
（2）16位Thumb指令集，功能是ARM指令集的功能子集。
ARM7TDMI核以后，T变种的ARM微处理器有两种工作状态：
（1）ARM状态
（2）Thumb状态。
当ARM微处理器执行32位的ARM指令集时，工作在ARM状态；
当ARM微处理器执行16位的Thumb指令集时，工作在Thumb状态

Thumb技术介绍
ARM7体系结构被广泛应用的时候，嵌入式控制器的市场仍然由8位、16位处理器占领。这些产品不能满足高端应用。这些应用需要32位RISC处理器的性能和更优于16位CISC处理器的代码密度。
为了解决代码密度的问题，ARM增加了T变种。
Thumb从32位ARM指令集中抽出来的36条指令格式，可重新编成16位的操作码。
在运行时，16位的Thumb指令又由处理器解压成32位指令。
Thumb核有2套独立的指令集，它使设计者得到ARM32位指令性能的同时，又能享有Thumb指令集产生的代码方面的优势，在性能和代码大小之间取得平衡。
和ARM指令集相比，Thumb指令集具有以下的局限：
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场合，ARM指令集更为合适。
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指令需要与ARM指令配合使用。

ARM与Thumb状态转换
在程序的执行过程中，微处理器可以随时在两种工作状态之间切换，并且该转变不影响处理器的工作模式和相应寄存器中的内容。
进入Thumb状态：当操作数寄存器的状态位（位[0]）为1时，执行BX指令。
进入ARM状态：当操作数寄存器的状态位（位[0]）为0时，执行BX指令。

9.2 RISC技术

嵌入式微处理器可以分为两类：CISC和RISC；
CISC（Complex Instruction Set Computer）：复杂指令系统计算机；随着计算机技术的发展而不断引入新的复杂的指令集，计算机的体系结构会越来越复杂。
大约有20％的指令会被反复使用，占整个程序代码的80％，而余下的80％的指令却不经常使用，在程序设计中只占20％。
RISC（Reduced Instruction Set Computer）：精简指令系统计算机；－采用固定长度的指令格式
－使用单周期指令
－大量使用寄存器
－可用加载/存储指令批量传输数据
－在循环处理中使用地址的自动增减

RISC技术与CISC技术比较

RISC技术

ARM处理器采用加载/存储（Load/Store）体系结构是典型的RISC处理器，即只有Load/Store的存/取指令可以访问存储器，其余指令都不允许进行存储器操作。
RISC体系结构基本特点：
（1）大多数指令只需要执行简单和基本的功能，其执行过程在一个机器周期内完成。
（2）只保留加载/存储指令。操作数由加载/存储指令从存储器取出放寄存器内操作。
（3）芯片逻辑不采用或少采用微码技术，而采用硬布线逻辑。
（4）减少指令数和寻址方式。
（5）指令格式固定，指令译码简化。
（6）优化编译。

CISC技术

ARM体系结构还采用了一些特别的技术：
所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行，提高了指令的执行效率。
可用Load/Store指令批量传输数据，以提高数据的传输效率。
可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理。
RISC和CISC各有优势，界限并不那么明显。
现代的CPU往往采用CISC的外围，内部加入了RISC的特性，如超常指令集CPU就是融合了RISC和CISC的优势，成为未来的CPU发展方向之一。

9.3 流水线技术

是一种将每条指令分解为多步，并让各步操作重叠，从而实现几条指令并行处理的技术；
程序中的指令仍是一条条顺序执行，但可以预先取若干条指令，并在当前指令尚未执行完时，提前启动后续指令的另一些操作步骤，从而可加快程序的运行速度；

开发和设计嵌入式系统的过程中，CPU的性能是一个非常重要的考虑因素。
流水线技术是在本质上影响程序执行速度的因素。
由于计算机中一条指令的各个执行阶段相对独立，因此，现代CPU大多设计成流水线型的机器，在这种类型机器中几个指令可以并行执行。采用流水线的重叠技术大大提高了CPU的运行效率。
当流水线内部的信息通畅流动时，CPU流水线能够工作得最好。
但实际应用中，指令各执行阶段的操作时间长短不同，有一些指令序列可能会打断流水线内的信息流，所以有时流水线操作不十分通畅，会暂时降低CPU的执行速度。

10.ARM内存映射

内存映射图（memroy remap）

ARM内容数据流模型：

arm在用户模式下可用的寄存器：

图解状态寄存器：

完整的arm寄存器集合：

ARM指令执行的例子：

arm向量表 ：

arm中的高速缓冲存储器cache：

11.ARM高速缓存（Cache）的分类

1.统一Cache和独立的数据/程序Cache
2.写通Cache和写回Cache
3.读操作分配Cache和写操作分配Cache
4.Cache的工作原理
5.Cache地址映像和变换方式
6.Cache的替换算法

1）统一Cache和独立的数据/程序Cache

统一Cache：一个存储系统中指令预取时使用的Cache和数据读写时使用的Cache是同一个Cache。
独立的Cache：一个存储系统中指令预取时使用的Cache和数据读写时使用的Cache是各自独立的。
用于指令预取的Cache称为指令Cache。
用于数据读写的Cache称为数据Cache。
使用独立的数据Cache和指令Cache，可以在同一个时钟周期中读取指令和数据，而不需要双端口的Cache。但此时要注意保证指令和数据的一致性。

（2）写通Cache和写回Cache

当CPU更新了Cache的内容时，要将结果写回到主存中。
写通法： write-throught，指CPU在执行写操作时，必须把数据同时写入Cache和主存。
写回法： write-back，指CPU在执行写操作时，被写的数据只写入Cache，不写入主存。仅当需要替换时，才把已经修改的Cache块写回到主存中。

（3）读操作分配Cache和写操作分配Cache

当进行数据写操作时，可能Cache未命中，这时根据Cache执行的操作不同。
读操作分配Cache：当进行数据写操作时，如果Cache未命中，只是简单地将数据写入主存中。主要在数据读取时，才进行Cache内容预取。
写操作分配Cache：当进行数据写操作时，如果Cache未命中，Cache系统将会进行Cache内容预取，从主存中将相应的块读取到Cache中相应的位置，并执行写操作，把数据写入到Cache中。
对于写通类型的Cache，数据将会同时被写入到主存中，对于写回类型的Cache数据将在合适的时候写回到主存中。

4.Cache的工作原理

在Cache存储系统当中，把主存储器和Cache都划分成相同大小的块。
主存地址可以由块号M和块内地址N两部分组成。
同样，Cache的地址也由块号m和块内地址n组成。

5.Cache地址映像和变换方式

1）直接映像
快，造价低。
但由于映射策略简单，所以有一定的局限性。
如果访问频繁的块正好被映射到同一个块，就不能充分利用高速缓存的好处。
（2）组相联映像
组相联映像由组的个数来标识，每个组被实现为一个直接映射高速缓存。
高速缓存请求同时广播到所有的组。如果某组中有这个单元，该高速缓存便报告命中。
比直接映射慢，命中率较高。
（3）全相联映像
主存中任意一个块都可以映射到Cache中的任意一个块的位置上。
不同的ARM有不同大小的高速缓存和组织结构。

6.Cache的替换算法

（1）轮转法
维护一个逻辑计数器，利用该计数器依次选择将要被替换出去的Cache块。
这种算法容易预测最坏情况下Cache的性能。
缺点：在程序发生很小的变化时，可能造成Cache平均性能急剧的变化。
（2）随机替换算法
通过一个伪随机数发生器产生一个伪随机数，用新块将编号为该伪随机数的Cache块替换掉。
算法简单，易于实现。
没有考虑程序的局部性特点，也没有利用以前块地址分布情况，因而效果较差。
不易预测最坏情况下Cache的性能。

12.储存管理单元MMU

12.1 储存管理单元MMU

存储管理单元在CPU和物理内存之间进行地址转换。
由于是将地址从逻辑空间映射到物理空间，因此这个转换过程一般称为内存映射。
在ARM系统中，存储管理单元MMU主要工作：
（1）虚拟存储空间到物理存储空间的映射。在ARM中采用了页式虚拟存储管理。
（2）存储器访问权限的控制。
（3）设置虚拟存储空间的缓冲的特性

12.2 MMU的页表

页表是实现上述功能的一个重要手段，它实际上是位于内存中的一个对照表。
为了实现不同层次的管理，系统提供了基于段或页的存储器访问方式

1. 段（section）：由1MB 的存储器块构成
2. 大页（large page）：由64KB 的存储器块构成
3. 小页（small page）：由4KB 的存储器块构成
4. 极小页（tiny page）：由1KB 的存储器块构成

12.3 MMU的页表续

地址变换条目：页表的每一行对应与虚拟地址空间的一个页，该行同时包含了该虚拟内存页对应的物理内存页的地址、该页的访问权限以及缓冲特性等。我们将页表中的一行称为地址变换条目。
页表：存放在内存中，系统通常有一个寄存器来保存页表的基地址。ARM系统中使用的就是CP15的寄存器C2。
快表：从虚拟地址到物理地址的转换实际上就是查询页表的过程。由于程序在执行过程中具有局部性，即在一段时间内只是局限在少数几个单元，为了加快页表的查询速度，在系统中通常使用一个容量更小、速度更快的存储器件来保存当前需要访问的地址变换条目，这个容量小的页表又称作快表（TLB）。

12.4 快表的使用

更新：当CPU需要访问内存时，首先在TLB中查找需要的地址变换条目。若不存在则在内存页表中查询，并把查询的结果添加到TLB中。
清除：当内存中页表的内容改变或者使用新的页表时，TLB中的内容需要清空。CP15的寄存器8用于完成该功能。
锁定：可以将一个地址变换条目锁定在TLB中，以加快访问速度，CP15的寄存器10用于完成该功能。

13.总结

上面有 很多东西我省掉了，因为概念的东西可以看懂，但是涉及到实际操作的如果只是说的话，也是一知半解，还不如以后学习再研究。
借鉴文章：
ARM学习之图解ARM
ARM详细介绍
版权声明：转载请注明出处！