ARM体系结构研究(一)

随着近两年各种智能手机、平板电脑、车载电子等各种消

费品的蓬勃发展，ARM体系结构的处理器，作为这些消费品的处理核心，也得到了长足的进步，甚至击败了Intel，在移动嵌入式领域独占鳌头。本文将首先介绍ARM体系结构的发展历程，然后将着重梳理其最先进的Cortex系列处理器的体系结构，以及这些结构对于各种软件平台如JAVA、.NET的支持等。

二、ARM体系结构的历史即其新进展

2.1ARM体系结构市场前景

来自英国的ARM（Acorn RISC Machine）公司虽然以ARM处理器著称，但是它独特的商业模式却决定了ARM公司本身并不生产处理器，这点与从研发到生产到出货垂直整合的Intel公司有很大不同，ARM公司采取的是授权与提成的商业模式（Intellectual Property Core简写IP-Core）：公司自己研发处理器体系架构，然后将这套架构的知识产权有偿授权给处理器制造厂商如高通、三星等半导体厂商，这些厂商造出的每一块使用ARM体系结构的芯片只需向ARM公司交付低廉的提成即可。由于这种创新的商业模式和低廉的成本，加上ARM体系的低功耗特点，让ARM体系在对价格敏感和续航能力敏感的32位嵌入式电子消费品市场如虎添翼，基本占据了32位嵌入式消费平100%的市场份额。发展到如今，ARM芯片甚至在对运算速度要求更高的的上网本、平板电脑也大有跟Intel的ATOM处理器一较高低的实力。近来红得发紫的苹果iPad就是采用的ARM深度定制的一款处理器架构，其它还有很多运行着Android系统的平板产品、智能手机产品等也都采用ARM体系结构的处理核心。由此可见ARM体系结构在移动电子消费品市场无与伦比的优势。

2.2ARM体系发展历史

1985——诞生了第一颗ARM芯片，ARM1 Sample版。

1986——ARM2，具有32位数据总线，26位地址总线，16个32位寄存器的处理器实现产能量产。

20世纪80年代晚期——苹果电脑开始与Acorn合作开发新版的ARM核心。

1991——与苹果的合作造就了ARM6，并进入了苹果的Apple Newton PDA和Acorn Risc-PC成为了它们的处理器。在该年正式成立了ARM公司，作为Acorn的一家子公司。

1991——至今ARM的产品已经横贯应用程序处理器，嵌入式处理器，专家系统等各种计算领域，成为了移动电子消费品市场、复杂工业控制应用的首选处理器体系架构。

2.3ARM产品系列简介

2.3.1经典ARM处理器

这一系列包括的处理器架构有：

lARM11系列——基于ARMv6体系结构的高性能处理器

lARM9系列——基于ARMv5体系结构的常用处理器

lARM7系列——面向普通应用的经典处理器

该系列适用于那些希望在新应用中追求稳定的产品。这些处理器提供了许多的特性、卓越的功效和范围广泛的操作能力，适用于成本敏感型解决方案。这些处理器每年都有数十亿的发货量，因此可确保设计者获得最广泛的体系和资源，从而最大限度地减少集成过程中出现的问题并缩短上市时间。

2.3.2ARM Cortex嵌入式处理器

这一系列的处理器架构有：

lCortex-R系列——面向实时应用的卓越性能

lCortex-M系列——面向具有确定性的微控制器应用的成本敏感型解决方案

Cortex-M系列处理器主要是针对微控制器领域开发的，在该领域中，既需进行快速且具有高确定性的中断管理，又需将门数和可能功耗控制在最低；而Cortex-R系列处理器的开发则面向深层嵌入式实时应用，对低功耗、良好的中断行为、卓越性能以及与现有平台的高兼容性这些需求进行了平衡考虑。

2.3.3ARM Cortex应用程序处理器

这一系列包括的处理器架构只有

lCortex-A系列-开放式操作系统的高性能处理器

Cortex-A在高级工艺节点中可实现高达2GHZ+的主频，也正是由于如此卓越的性能，该处理器架构可用于下一代Internet设备，而且该系列提供单核和多核多种种类，并且提供NEON多媒体处理模块的四种选择和高级浮点执行单元和处理单元。

2.3.4ARM专家处理器

这一系列包括的处理器架构只有

lSecurCore -面向高安全性应用的处理器

lFPGA内核-面向FPGA的处理器

该系列的处理器主要是为了满足一些特定市场的苛刻需求。SecurCore可以用于手机SIM卡和其他识别应用，集成了多种既可以为用户提供卓越性能，又可以检测和避免安全攻击的技术。

2.4ARM指令集

谈到ARM的指令系统，必须先明确一点的就是，ARM体系结构不同于x86，它是RISC（Reduced Instruction Set Computer）体系结构。所以，在ARM指令体系中，各指令相对来说更加规整、对称、简单。而且指令小于100条，基本寻址方式只有2~3中，而且指令字长都比较一直，并都在单个时