ARM架构介绍（1）

本章主要介绍ARM架构通用知识，不仅仅包括ARMv7\ARMv8/ARMv9

1.ARM体系结构介绍

ARM公司主要向客户提供处理器IP。ARM体系结构是一种硬件规范，主要用来约定指令集、芯片内部体系结构等。以指令集为例，ARM体系结构并没规定每一条指令在硬件IP中如何实现，只是约定了每条指令的格式、行为规范、参数等。

为了降低客户基于ARM体系结构开发处理器（processor 或 core）的难度，ARM公司通常在发布新版本的体系结构之后，根据不同的应用需求开发出兼容该体系结构的处理器（processor 或 core）IP，然后授权给客户。客户获得ARM设计的处理器IP后，基于其定制和设计自己的SOC。

以ARMv8体系结构为例，ARM公司先后开发出Cortex-A53、Cortex-A55、Cortex-A72、Cortex-A73等多款处理器IP。

ARM架构为 processor 或 core的设计提供了基础，通常我们可以将processor 或 core称为Processing Element(PE)。

2.ARM授权模式

ARM公司一般有两种授权方式：

  • 体系结构授权。客户可以根据这个规范自行设计与之兼容的处理器。
  • 处理器IP授权。ARM公司根据某个版本的体系结构来设计处理器，然后把处理器的设计方案授权给客户。

市面上的大部分芯片都是直接采用ARM处理器IP，少部分大厂如高通、TI他们基于ARM 公版IP进行二次开发，而像苹果这样的大佬甚至自己基于ARM架构规范实现自己的处理器IP。

3.架构和微架构

3.1 什么是架构（处理器领域）

其实前面已经有所介绍。在这里，主要指的是处理器的功能规范。 架构指定处理器的行为方式，例如它有什么指令以及指令做什么，而不包括如何做。

架构视为硬件和软件之间的规则。 该架构描述了软件可以依赖硬件提供哪些功能。 一些功能是可选的，我们将在稍后的微架构部分讨论。

架构可能会规定：

3.2 什么是微架构

架构(Architecture)不会告诉您处理器是如何构建和工作的。 处理器的构建和设计被称为微架构。 微架构( micro-architecture)规定了处理器应该如何工作，我们上述提到的”ARM公司根据某个版本的体系结构来设计处理器IP“ 就是微架构，如Cortex-A53 和Cortex-A72 都是基于Armv8-A 架构实现的微架构。

微架构通常包括:

  • 几级Cache和Cache Size大小等。
  • 几级流水线。
  • 每条指令执行的周期。
  • 其他可选供能。

例如，Cortex-A53 和 Cortex-A72 都是 Armv8-A 架构的实现。 这意味着它们具有相同的架构，但它们具有非常不同的微架构，如下图所示

4.Arm 架构和微架构的发展

4.1 Timeline

4.2 产品演进


Arm 架构是最著名的 Arm 规范，但它并不是唯一的规范。现代片上系统 (SoC) 除了Core之外的其他IP同样也遵循一些其他ARM规范。 下图提供了一些示例：

  • Generic Interrupt Controller
  • System Memory Management Unit (SMMU or IOMMU)
  • Generic Timer
  • Server Base System Architecture and Trusted Base System Architecture
  • Advanced Microcontroller Bus Architecture(AMBA)

4.3 ARM产品分类

ARM11芯片之后，也就是从ARMv7架构开始，ARM IP微架构的命名方式有所改变。

新的处理器家族，改以Cortex命名，ARM微架构根据应用场景分为三个系列，分别是Cortex-A，Cortex-R，Cortex-M。

Cortex-A系列（A：Application）

面向性能密集型系统的应用处理器内核。主要针对日益增长的消费娱乐和无线产品设计，用于具有高计算要求、运行丰富操作系统及提供交互媒体和图形体验的应用领域，如智能手机、平板电脑、汽车娱乐系统、数字电视，智能本、电子阅读器、家用网络、家用网关和其他各种产品。。

Cortex-R系列 （R：Real-time）
面向实时应用的高性能内核。主要针对需要运行实时操作的系统应用，面向如汽车制动系统、动力传动解决方案、大容量存储控制器等深层嵌入式实时应用。

Cortex-M系列（M：Microcontroller）
面向各类嵌入式应用的微控制器内核。该系列面向微控制器领域，主要针对成本和功耗敏感的应用，如智能测量、人机接口设备、汽车和工业控制系统、家用电器、消费性产品和医疗器械等。

Cortex-SC系列（SC：SecurCore）
其实，除了上述三大系列之外，还有一个主打安全的Cortex-SC系列（SC：SecurCore），主要用于政府安全芯片。

5. Arm 架构文档

  • Arm Architecture Reference Manual (Arm ARMs) – 架构类的文档， 一般就看这个
  • Arm Cortex processor has a Technical Reference Manual (TRM) – arm core的文档， 基本不用看
  • Arm Cortex processor also has a Configuration or Integration Manual (CIM) – 可能是给ASIC看的

例如你要学习 Cortex-A75 processor，可以去查看以下文档: