1. ARM公司简介

ARM（Advanced RISC Machines）有三种含义：它是一个公司的名称、它是一类微处理器的通称、它是一种技术的名称。

  • ARM 公司是微处理器行业的一家知名企业，它是知识产权供应商，设计基于ARM体系的处理器；公司并不生产芯片，也不出售芯片，它转让设计方案给半导体厂商，由半导体厂商生产soc，并销售，同时提供一些其他设计服务，比如物理IP，图形内核和开发工具的设计。

2. ARM指令集

2.1 指令集的概念

  • 处理器能够识别并执行的指令集合；
  • 每一条指令可处理一个简单或复杂操作（加、加乘…）；每一条指令对应一条或几条汇编指令。

2.2 指令集常见分类

复杂指令集（CISC）：包含处理复杂操作的特定指令，指令长度不固定，执行需要多个周期。
精简指令集（RISC）：指令简单而有效，格式和长度通常是固定的，大多数指令在一个周期内可以执行完毕。ARM的内核是基于RISC体系结构的。

2.3 cpu与主流架构

  • 大家熟悉的服务器或者台式机都是X86架构的CPU，X86架构的CPU特点是性能高，并且软件的兼容性很好。

  • 大家平常工作中使用的大部分是英特尔等提供的X86架构的CPU，对于英特尔和AMD大家都不陌生，这两家厂商专门生产X86架构CPU。

  • 另外X86 64位这种架构的CPU存在别名，例如x86_64或者amd64都代表X86架构的64位CPU。

  • 与X86不同的是还有另一种称为ARM的架构，这是本文的主题，那么ARM架构的CPU和X86架构的CPU相比有何不同？

  • 它的制造成本更低，ARM架构的芯片的功耗也很低，代表性的厂商和使用者是苹果和华为。

  • 苹果将生产的ARM芯片用到笔记本或IMAC上，ARM架构的CPU越来越普及。

  • 国内的华为会生产基于ARM架构的服务器，64位ARM架构CPU也有别名，例如arm64、aarch64，这两种叫法表达同一个意思

3 ARM架构与ARM内核

3.1 ARM架构与内核简述

  • 目前ARM体系架构共定义了8个版本V1-V8
    V1-V3 ：最早的版本，目前已废弃
    V4-V6 ： 经典处理器中运用的比较多
    V7 ： 目前Cortex系列处理器主要是这种架构、支持Thumb-2的32位指令集
    V8 ： 兼容ARMv7架构的特性，并支持64位数据处理
  • 目前为止，ARM总共发布8种架构：ARMv1、ARMv2、ARMv3、ARMv4、ARMv5、ARMv6、ARMv7 、ARMv8，这是ARM架构指令集的多个v版本。
  • 基于不同的ARM架构可以设计出不同特点的内核处理器。比如基于ARMv3架构设计出的处理器ARM6，ARMv7 这两款处理器适用于不同的场景，硬件可能不同，但是架构指令集是一样的。
  • 好比盖房子，刚开始因为水平低流行盖平房，这就是一种架构(ARMv5)，然后这种平房架构你可以设计出一款独立卫生间的款式， 这叫ARM7内核。 然后其他人(芯片设计公司)想盖房子的就买你这个图纸去盖，接着过一段时间，有人觉得光独立卫生间还不够啊， 我还想有个小院子! 好吧，那ARM就满足你们的要求，出个带小院子的款式(ARM9)。
  • 即ARMv1/2/3等是指令集的架构，ARM7/9等是基于架构设计出的内核处理器。ARM的架构都是基于RISC指令集而设计的，内核是实现这一指令集的硬件架构的基础。

3.2 ARM处理器家族

  • 早先经典处理器
    包括ARM7、ARM9、ARM11家族。
    体系结构：定义指令集和基于这一体系结构下处理器的编程模型（基本数据类型、工作模型、寄存器组）。基于同种体系结构可以有多种处理器、每个处理器的性能不同，面向的应用领域也不同

    ARMv1架构
  • 1985年，ARMv1架构诞生，该版架构只在原型机ARM1出现过，只有26位的寻址空间（64MB），没有用于商业产品。
    ARMv2架构
  • 1986年，ARMv2架构诞生，首颗量产的ARM处理器ARM2就是基于该架构，包含了对32位乘法指令和协处理器指令的支持，但同样仍为26位寻址空间。其后还出现了变种ARMv2a，ARM3即采用了ARMv2a，是第一片采用片上Cache的ARM处理器。
    ARMv3架构
  • 1990年，ARMv3架构诞生，第一个采用ARMv3架构的微处理器是ARM6（610）以及ARM7，其具有片上高速缓存、MMU和写缓冲，寻址空间增大到32位（4GB）。
    ARMv4架构
  • 1993年，ARMv4架构诞生，这个架构被广泛使用，ARM7（7TDMI）、ARM8、ARM9（9TDMI）和StrongARM采用了该架构。ARM在这个系列中引入了T变种指令集，即处理器可工作在Thumb状态，增加了16位Thumb指令集。
    ARMv5架构
  • 1998年，ARMv5架构诞生，ARM7（EJ）、ARM9（E）、ARM10（E）和Xscale采用了该架构，这版架构改进了ARM/Thumb状态之间的切换效率。此外还引入了DSP指令和支持JAVA。
    ARMv6架构
  • 2001年，ARMv6架构诞生，ARM11采用的是该架构，这版架构强化了图形处理性能。通过追加有效进行多媒体处理的SIMD将语音及图像的处理功能大大提高。此外ARM在这个系列中引入了混合16位/32位的Thumb-2指令集。
    ARMv7架构
  • 2004年，ARMv7架构诞生，从这个时候开始ARM以Cortex来重新命名处理器，Cortex-M3/4/7，Cortex-R4/5/6/7，Cortex-A8/9/5/7/15/17都是基于该架构。该架构包括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。
    ARMv6-M架构
  • 2007年，在ARMv6基础上衍生了ARMv6-M架构，该架构是专门为低成本、高性能设备而设计，向以前由8位设备占主导地位的市场提供32位功能强大的解决方案。Cortex-M0/1/0+即采用的该架构。
    ARMv8架构
  • 2011年，ARMv8架构诞生，Cortex-A32/35/53/57/72/73采用的是该架构，这是ARM公司的首款支持64位指令集的处理器架构
    ARMv9架构
  • 2021年，ARMv9架构诞生，10年磨一剑，Armv9架构采用Arm机密计算架构（ConfidentialCompute Architecture, CCA），专为 Armv9 打造 SVE2，增强 AI 能力，首先Armv9 架构是基于 Armv8 既往成功的基础，增添了针对矢量处理的 DSP、机器学习、安全等这三个技术特性。目前 64 位上的 v8 架构中的所有功能均将在 v9 架构中得到支持，且 v9 架构将支持在 32 位上的 v8 架构功能。

3.2.1 Cortex-Mx处理器

Cortex-M 系列产品主要包括 Cortex-M0、Cortex-M1、Cortex-M3、Cortex-M4、Cortex-M7 等，其中 Cortex-M0 主打低功耗和混合信号的处理，Cortex-M3 主要用来替代 ARM7,重点侧重能耗与性能的平衡，而 Cortex-M7 则重点放在高性能控制运算领域。

3.2.2 STM32平台

  • STM32，从字面上来理解，ST 是意法半导体，M 是 Microelectronics 的缩写，32 表示32 位，合起来理解，STM32 就是指 ST 公司开发的 32 位微控制器。在如今的 32 位控制器当中，STM32 可以说是最璀璨的新星，它大受工程师和市场的青睐，无芯能出其右。

STM32产品分类：


4 ARM各架构之间区别

4.1 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)。

4.2 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。

4.3 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v3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(SavedProgram 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。

4.4 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

4.5 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。

4.6 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。在降低耗电量的同时，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

5 ARM产品型号

5.1 ARM-v内核产品型号

  • 基于各ARM架构设计的内核型号如下图所示：
  • 目前常见的指令集的说明：ARMv7之前均为32位总线位宽，从ARMv8开始扩展为64位总线位宽(数据总线、地址总线、控制总线位宽均为64位，一般寻址空间不会用满)。

5.2 ARM处理器命名规则

ARM处理器命名规则和格式：ARM x y z T D M I E J F -S
x：序列
y：2：带MMU， 4带MPU，6没有
z：0：标准cache，2：减小的cache， 6可变的cache
T：处理器支持Thumb指令集
D：支持JTAG调试器
M：支持长乘法指令
I：有嵌入式跟踪宏单元
E：支持增强指令(基于TDMI)
J：支持JAVA硬件加速(Jazelle)
F：支持向量浮点单元
S：可综合版本

5.3 ARM v7架构细分

ARM6：ARMv3架构
ARM7、ARM8、RAM9：ARMv4架构
ARM10：ARMv5架构
ARM11：ARMv6架构
ARM-Cortex 系列：ARMv7架构
ARM7：没有MMU(内存管理单元)，只能叫做MCU(微控制器)，不能运行诸如Linux、WinCE等这些现代的多用户多进程操作系统，因为运行这些系统需要MMU，才能给每个用户进程分配进程自己独立的地址空间。ucOS、ucLinux这些精简实时的RTOS不需要MMU，当然可以在ARM7上运行。
ARM9、ARM11：是嵌入式CPU(处理器)，带有MMU，可以运行诸如Linux等多用户多进程的操作系统，应用场合也不同于ARM7。
到了ARMv7架构的时候开始以Cortex来命名，并分成Cortex-A、Cortex-R、Cortex-M三个系列。三大系列分工明确：

5.3.1 Cortex-A系列

  • A-Profile，即“Application”-Profile，侧重于应用功能的场合，A系列面向尖端的基于虚拟内存的操作系统和用户应用；针对开放式操作系统的高性能处理器，进行海量数据处理和高性能计算；应用于智能手机，数字电视，智能本等高端运用。主要支持分页内存管理单元MMU，linux需要MMU的支持才能运行

5.3.2 Cortex-R系列

  • R-Profile，即”Real-Time”-Profile，侧重于实时系统的场合。R系列针对实时系统；针对实时系统、满足实时性要求高的控制需求；应于汽车制动系统，动力系统等。

5.3.3 Cortex-M系列

  • M-Profile，即"Microntroller"- Profile，侧重微控制器单片机方面的场合。M系列对微控制器。简单的说Cortex-A系列是用于移动领域的CPU，Cortex-R和Cortex-M系列是用于实时控制领域的MCU。为单片机驱动的系统提供的低成本优化方案；应用于传统的微控制器市场，智能传感器，汽车周边部件等。