嵌入式成长轨迹29 【嵌入式学习阶段】【中嵌第三阶段】【ARM技术概述】

一 ARM体系结构的发展历史和技术特征
1 ARM发展的历程
最近10多年来ARM技术的突出成果表现在：
使用“Thumb”的新型压缩指令格式，使得应用系统开发可降低系统成本和功耗；
ARM9、ARM10、Strong-ARM和ARM11等系列处理器的开发，显著地提高了ARM的性能，使得ARM技术在面向高端数字音、视频处理等多媒体产品的应用中更加广泛；
更好的软件开发和调试环境，加快用户产品开发；
更为广泛的产业联盟使得基于ARM的嵌入式应用领域更加广阔；
嵌入在复杂SoC中、基于ARM核的调试系统代表着当今片上调试技术的前沿。

第一片ARM处理器是1983年10月到1985年4月间在位于英国剑桥的Acorn Computer公司开发 。
1990年，为广泛推广ARM技术而成立了独立的公司 。
20世纪90年代， ARM快速进入世界市场

在ARM的发展历程中，从ARM7开始，ARM核被普遍认可和广泛使用 。
1995年 StrongARM 问世 。
XScale是下一代StrongARM芯片的发展基础 。
ARM10TDMI是ARM处理器核中的高端产品 。
ARM11是ARM家族中性能最强的一个系列 。

ARM技术还将不断发展。在嵌入式领域，ARM已取得了极大的成功，造就了IP核商业化、市场化的神话，迄今为止，还没有任何商业化的IP核交易和使用达到ARM的规模。据最新统计，全球有103家巨型IT公司在采用ARM技术，20家最大的半导体厂商中有19家是ARM的用户，包括德州仪器，意法半导体，Philips，Intel等。ARM系列芯片已经被广泛的应用于移动电话、手持式计算机以及各种各样的嵌入式应用领域，成为世界上销量最大的32位微处理器。

2 ARM体系结构的技术特征
ARM的体系结构采用了若干Berkeley RISC处理器设计中的特征
 Load/store体系结构
固定的32位指令
3地址指令格式
也放弃了其它若干Berkeley RISC特征
寄存器窗口
延迟转移
所有的指令单周期执行

二 ARM体系结构不同版本的发展概述
1 ARM体系结构的基本版本
版本1，本版本包括下列指令：
乘法指令之外的基本数据处理指令；
基于字节，字和多字的存储器访问操作指令（Load/Store）；
子程序调用指令BL在内的跳转指令；
完成系统调用的软件中断指令SWI。

版本2 ，与版本1相比版本2（2a）增加了下列指令：
乘和乘加指令；
支持协处理器的指令；
对于FIQ模式，提供了额外的影子寄存器；
SWP指令及SWPB指令。

版本3较以前的版本发生了大的变化
地址空间扩展到了32位，但除了版本3G外的其他版本是向前兼容的，也支持26位的地址空间；
分开的当前程序状态寄存器CPSR（Current Program Status Register）和备份的程序状态寄存器SPSR（Saved Program Status Register），SPSR用于在程序异常中断时保存被中断的程序状态；
增加了两种异常模式，使操作系统代码可以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指令和MSR指令用于完成对CPSR和SPSR寄存器的读写。
修改了原来的从异常中返回的指令。

版本4。与版本3相比，版本4增加了下列指令
有符号、无符号的半字和有符号字节的load和store指令。
增加了T变种，处理器可以工作于Thumb状态，在该状态下的指令集是16位的Thumb指令集。
增加了处理器的特权模式。在该模式下，使用的是用户模式下的寄存器。

版本5主要由两个变型版本5T、5TE组成
相比与版本4，版本5的指令集有了如下的变化：
提高了T变种中ARM/Thumb混合使用的效率。
增加前导零记数（CLZ）指令，该指令可使整数除法和中断优先级排队操作更为有效；
增加了BKPT（软件断点）指令；
为协处理器设计提供了更多的可供选择的指令；
更加严格地定义了乘法指令对条件码标志位的影响。

ARM体系版本6是2001年发布的。新架构v6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功能，将语音及图像的处理功能提高到了原机型的4倍。ARM体系版本6首先在2002年春季发布的ARM11处理器中使用。除此之外，v6还支持多微处理器内核。

2 ARM体系结构的演变
1）Thumb指令集（T变种）
Thumb指令集是把32位的ARM指令集的一个子集重新编码后而形成的一个特殊的16位的指令集
2）长乘指令（M变种）
长乘指令是一种生成64位相乘结果的乘法指令（此指令为ARM指令），M变种增加了两条长乘指令
3）增强型DSP指令（E变种）
E变种的ARM体系增加了一些增强处理器对典型的DSP算法处理能力的附加指令。
4）Java加速器Jazelle（J变种）
 ARM的Jazelle技术是Java语言和先进的32位RISC芯片完美结合的产物 。
5）ARM媒体功能扩展（SIMD变种）

3 ARM体系结构的命名规则

表示ARM/Thumb体系版本的命名格式的ARM/Thumb体系版本由下面几部分组成的：
基本字符串ARMv。
基本字符串后为ARM指令集版本号，目前是1-6的数字字符。
ARM指令集版本号后为表示所含变种的字符。由于在ARM体系版本4以后，M变种成为系统的标准部件，所以字符M通常也不单独列出来。
最后使用的字符x表示排除某种功能。

三 Thumb技术介绍
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

1 Thumb的技术概述
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
ARM7TDMI是第一个支持Thumb的核，支持Thumb的核仅仅是ARM体系结构的一种发展的扩展，所以编译器既可以编译Thumb代码，又可以编译ARM代码
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 。

2 Thumb技术的特点
在性能和代码大小之间取得平衡，在需要较低的存储代码时采用Thumb指令系统，但有比纯粹的16位系统有较高的实现性能，因为实际执行的是32位指令，用Thumb指令编写最小代码量的程序，却取得以ARM代码执行的最好性能

与ARM指令集相比．Thumb指令集具有以下局限
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应用场合ARM指令集更为适合；
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。

四 ARM处理器工作状态
ARM处理器核可以工作在以下2种状态
1） ARM状态
32位，ARM状态下执行字对准的32位ARM指令；
2）Thumb状态
16位，Thumb状态下执行半字对准的16位Thumb指令。在Thumb状态下，程序计数器PC使用位1选择另一个半字。

在程序执行的过程中，处理器可以在两种状态下切换 。
ARM和Thumb之间状态的切换不影响处理器的模式或寄存器的内容。
ARM指令集和Thumb指令集都有相应的状态切换命令。
ARM处理器在开始执行代码时，只能处于ARM状态。

ARM处理器在两种工作状态之间切换方法：
进入Thumb状态：
当操作数寄存器Rm的状态位bit［0］为1时，执行BX Rm指令进入Thumb状态（指令详细介绍见第三章）。如果处理器在Thumb状态进入异常，则当异常处理（IRQ，FIQ，Undef，Abort和SWI）返回时，自动切换到Thumb状态。
进入ARM状态：
当操作数寄存器Rm的状态位bit［0］为0时，执行BX Rm指令进入ARM状态。如果处理器进行异常处理（IRQ，FIQ，Undef，Abort和SWI），在此情况下，把PC放入异常模式链接寄存器LR中，从异常向量地址开始执行也可以进入ARM状态。

五 ARM处理器工作模式
CPSR（当前程序状态寄存器）的低5位用于定义当前操作模式

除用户模式外的其他6种模式称为特权模式 。
特权模式中除系统模式以外的5种模式又称为异常模式，即 ：
FIQ（Fast Interrupt Request）
IRQ（Interrupt ReQuest）
SVC（Supervisor）
中止（Abort）
未定义（Undefined）