ARM体系结构（实用适合初学者）

ARM 体系结构（实用适合初学者） ARM 体系结构是一种基于 RISC（Reduced Instruction Set Computing，精简指令集计算）架构的微处理器架构。ARM 公司于 1991 年成立于英国剑桥，是专门从事基于 RISC 技术芯片设计开发的公司。ARM 微处理器具有以下特点： 1. 支持 Thumb（16 位）/ARM（32 位）双指令集，能很好的兼容 8 位/16 位器件。Thumb 指令集比通常的 8 位和 16 位 CISC/RISC 处理器具有更好的代码密度。 2. 指令执行采用 3 级流水线/5 级流水线技术。 3. 带有指令 Cache 和数据 Cache，大量使用寄存器，指令执行速度更快。大多数数据操作都在寄存器中完成。寻址方式灵活简单，执行效率高。 4. 指令长度固定（在 ARM 状态下是 32 位，在 Thumb 状态下是 16 位）。 5. 支持大端格式和小端格式两种方法存储字数据。 6. 支持 Byte（字节，8 位）、Halfword（半字，16 位）和 Word（字，32 位）三种数据类型。 7. 支持用户、快中断、中断、管理、中止、系统和未定义等 7 种处理器模式，除了用户模式外，其余的均为特权模式。 8. 处理器芯片上都嵌入了在线仿真 ICE-RT 逻辑，便于通过 JTAG 来仿真调试 ARM 体系结构芯片，可以避免使用昂贵的在线仿真器。 9. 具有片上总线 AMBA（Advanced Micro-controller Bus Architecture），定义了 3 组总线：先进高性能总线 AHB（Advanced High performance Bus）、先进系统总线 ASB（Advanced System Bus）、先进外围总线 APB（Advanced Peripheral Bus）。 10. 采用存储器映像 I/O 的方式，即把 I/O 端口地址作为特殊的存储器地址。 11. 具有协处理器接口，ARM 允许接 16 个协处理器，如 CP15 用于系统控制，CP14 用于调试控制器。 12. 采用了降低电源电压、减少门的翻转次数、减少门的数目等措施降低功耗。 13. 体积小、低成本、高性能。 ARM 微处理器包括 ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、SecurCore、以及 Intel 的 StrongARM、XScale 和其它厂商基于 ARM 体系结构的处理器，除了具有 ARM 体系结构的共同特点以外，每一个系列的 ARM 微处理器都有各自的特点和应用领域。 一个典型的 ARM 体系结构方框图如图 2.1.1 所示，包含有 32 位 ALU、31 个 32 位通用寄存器及 6 位状态寄存器、32×8 位乘法器、32×32 位桶形移位寄存器、指令译码及控制逻辑、指令流水线和数据／地址寄存器等。 在 ARM 体系结构中，ALU 是一个重要的组件，包括两个操作数锁存器、加法器、逻辑功能、结果及零检测逻辑构成。ALU 的最小数据通路周期包含寄存器读时间、移位器延迟、ALU 延迟、寄存器写建立时间、双相时钟间非重叠时间等几部分。 桶形移位寄存器是 ARM 体系结构中另一个重要的组件，采用了 32×32 位桶形移位寄存器，左移／右移 n 位、环移 n 位和算术右移 n 位等都可以一次完成，可以有效的减少移位的延迟时间。 高速乘法是 ARM 体系结构中的一种重要的功能，使用 32×8 位乘法器，可以快速地完成乘法操作。 ARM 体系结构是一种功能强大、灵活、低成本、高性能的微处理器架构，广泛应用于工业控制、无线通讯、网络应用、消费类电子产品、成像和安全产品等领域。