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[软件] 一文读懂ARM技术架构

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    [LV.1]初来乍到

    发表于 2019-9-4 18:34:05 |显示全部楼层
    据BBC报道称,其最近获得的内部文件显示,英国芯片设计公司ARM已经告诉员工,必须暂停与华为的业务往来。在文件中,ARM指示员工暂停与华为及其子公司的“所有有效合同、支持津贴,以及任何尚未签订的合约”,以遵守美国最近的一项贸易限制措施。

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    一位分析师表示,如果这一行动长期执行下去,对于华为来说,将是一个“不可逾越”的打击。

    他说,这将极大地影响华为开发自己的芯片的能力。因为,华为旗下海思设计的许多芯片目前都是使用ARM的基础技术制造的,并需要为此支付专利许可费用。

    ARM的设计是全球大多数移动设备处理器的基础。各大手机芯片,包括高通骁龙、Apple A系列、华为麒麟芯片、三星Exynos,等它们的底层均是ARM的技术。

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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。

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    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。

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    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;

    ARM相关的几个重要概念

    冯·诺依曼体系

    结构模型:
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    冯·诺依曼体系的特点:
    1、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。

    2、被早期大多数计算机所采用。

    3、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。

    哈佛体系

    结构模型:
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    结构特点:
    1、程序存储器与数据存储器分开.

    2、提供了较大的存储器带宽,各自有自己的总线。

    3、适合于数字信号处理.

    4、大多数DSP都是哈佛结构.

    5、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。

    CISC复杂指令集(Complex Instruction Set Computer)

    特点:
    1、具有大量的指令和寻址方式
    2、8/2原则:80%的程序只使用20%的指令
    3、大多数程序只使用少量的指令就能够运行。
    4、CISC CPU 包含有丰富的单元电路,因而功能强、面积大、功耗大。

    RISC精简指令集(Reduced Instruction Set Computer)

    特点:
    1、在通道中只包含最有用的指令,只提供简单的操作。

    2、确保数据通道快速执行每一条指令。

    3、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。

    4、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。

    RISC与CISC主要差别

    1、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。

    2、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。

    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。

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    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。

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    ARM体系结构

    ARM系列产品表示
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    ARM处理器的分类

    基于指令集体系结构的分类:v1,v2,v5,v5TEJ,v6等

    基于处理器内核的分类:ARM7,ARM9,ARM10,ARM11,StrongARM,XScale等

    ARM体系结构版本

    ARM架构自诞生至今,已经发生了很大的演变,至今已定义的版本有:V1版架构、V2版架构、V3版架构、V4版架构、V5版架构、V6版架构。

    V1版架构
    该版架构只在原型机ARM1出现过,其基本性能:

    1、基本的数据处理指令(无乘法)
    2、字节、半字和字的LOAD/STORE指令
    3、转移指令,包括子程序调用及链接指令
    4、软件中断指令
    5、寻址空间:64M字节(26)

    V2版架构
    该版架构对V1版进行了扩展,如ARM2架构,增加了以下功能:

    1、乘法和乘加指令
    2、支持协处理器操作指令
    3、快速中断模式
    4、SWP/SWPB基本存储器与寄存器交换指令
    5、寻址空间:64M字节

    V3版架构
    1、把寻址空间增至32位(4G字节),
    2、增加了当前程序状态寄存器CPSR和程序状态保存寄存器SPSR以便于异常的处理。
    3、增加了中止和未定义二种处理器模式。
    4、ARM6就采用该版架构。
    5、指令集变化: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。

    V4版架构
    V4版架构是目前应用最广的ARM体系结构,对V3版架构进行了进一步扩充,有的还引进了16位的Thumb指令集,使ARM使用更加灵活。ARM7、ARM8、ARM9和StrongARM都采用该版架构。

    指令集中增加了以下功能:
    1、有符号、无符号的半字和有符号字节的Load/Store指令。
    2、增加了16位Thumb指令集
    3、完善了软件中断SWI指令的功能
    4、增加了处理器的特权模式。

    V5版架构
    这是最近几年推出ARM架构,在V4版基本上增加了一些新的指令,ARM10和XScale都采用该版架构,这些新增指令有:

    1、带有链接和交换的转移BLX指令
    2、计数前导零CLZ指令
    3、BKPT软件断点指令
    4、增加了信号处理指令
    5、为协处理器增加更多可选择的指令

    v6版架构
    1、适合使用电池供电的便携式设备
    2、增加了 SIMD功能扩展,提高了嵌入式应用系统的音频、视频处理能力。

    ARM芯片选择的一般原则

    从应用的角度,对在选择ARM芯片时所应考虑的主要因素有:

    1、ARM芯核:如果希望使用WinCE或Linux等操作系统以减少软件开发时间,就需要选择ARM720T以上带有MMU功能的ARM芯片.

    2、系统时钟控制器:系统时钟决定了ARM芯片的处理速度。ARM7的处理速度为0.9MIPS/MHz,常见的ARM7芯片系统主时钟为20MHz-133MHz,ARM9的处理速度为1.1MIPS/MHz,常见的ARM9的系统主时钟为100MHz-233MHz, ARM10最高可以达到700MHz。

    3、内部存储器容量:在不需要大容量存储器时,可以考虑选用有内置存储器的ARM芯片。

    4、GPIO数量:在某些芯片供应商提供的说明书中,往往申明的是最大可能的GPIO数量,但是有许多引脚是和地址线、数据线、串口线等引脚复用的。这样在系统设计时需要计算实际可以使用的GPIO数量。

    5、USB接口:许多ARM芯片内置有USB控制器,有些芯片甚至同时有USB Host和USB Slave控制器。

    6、中断控制器:ARM内核只提供快速中断(FIQ)和标准中断(IRQ)两个中断向量。但各个半导体厂家在设计芯片时加入了自己不同的中断控制器,以便支持诸如串行口、外部中断、时钟中断等硬件中断。外部中断控制是选择芯片必须考虑的重要因素,合理的外部中断设计可以很大程度的减少任务调度的工作量。

    7、LCD控制器:些ARM芯片内置LCD控制器,有的甚至内置64K彩色TFT LCD控制器。在设计PDA和手持式显示记录设备时,选用内置LCD控制器的ARM芯片较为适宜。

    8、扩展总线:大部分ARM芯片具有外部SDRAM和SRAM扩展接口,不同的ARM芯片可以扩展的芯片数量即片选线数量不同,外部数据总线有8位、16位或32位。某些特殊应用的ARM芯片如德国Micronas的PUC3030A没有外部扩展功能。

    9、封装:主要的封装有QFP、TQFP、PQFP、LQFP、BGA、LBGA等形式,BGA封装具有芯片面积小的特点,可以减少PCB板的面积,但是需要专用的焊接设备,无法手工焊接。另外一般BGA封装的ARM芯片无法用双面板完成PCB布线,需要多层PCB板布线。

    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。

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