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ARM体系结构详解 ARM处理器分析

时间：2020-05-22

  ARM处理器近年来是非常火热，尤其是用于一些通信硬件设备中。如：厦门计讯TG463千兆网关就是采用高端ARM处理器，使用更安全应用更灵活。那么，ARM处理器有哪些特点呢？

  一、ARM处理器的一些特点

  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;

  指令执行采用3级流水线/5级流水线技术;

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  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。指令长度固定(在ARM状态下是32位，在Thumb状态下是16位);

  支持大端格式和小端格式两种方法存储字数据;

  支持Byte(字节，8位)、Halfword(半字，16位)和Word(字，32位)三种数据类型。

  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;

  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。另外，在处理器核中还可以嵌入跟踪宏单元ETM，用于监控内部总线，实时跟踪指令和数据的执行;

  具有片上总线AMBA(Advanced Micro-controller Bus Architecture)。

  AMBA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)。

  通过AMBA可以方便地扩充各种处理器及I/O，可以把DSP、其他处理器和I/O(如UART、定时器和接口等)都集成在一块芯片中;

  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;

  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;

  采用了降低电源电压，可工作在3.0V以下;减少门的翻转次数，当某个功能电路不需要时禁止门翻转;减少门的数目，即降低芯片的集成度;降低时钟频率等一些措施降低功耗;

  体积小、低成本、高性能。

  二、一个典型的ARM体系结构

  包含有32位ALU、31个32位通用寄存器及6位状态寄存器、32&TImes;8位乘法器、32&TImes;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。

  1、ALU

  ARM体系结构的ALU与常用的ALU逻辑结构基本相同，由两个操作数锁存器、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。

  2、桶形移位寄存器

  ARM采用了32&TImes;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。在桶形移位寄存器中，所有的输入端通过交叉开关(Crossbar)与所有的输出端相连。交叉开关采用NMOS晶体管来实现。

  3、高速乘法器

  ARM为了提高运算速度，采用两位乘法的方法，2位乘法可根据乘数的2位来实现“加-移位”运算。ARM的高速乘法器采用32&TImes;8位的结构，完成32×2位乘法也只需5个时钟周期。


  4、浮点部件

  在ARM体系结构中，浮点部件作为选件可根据需要选用，FPA10浮点加速器以协处理器方式与ARM相连，并通过协处理器指令的解释来执行。

  浮点的Load/Store指令使用频度要达到67%，故FPA10内部也采用Load/Store结构，有8个80位浮点寄存器组，指令执行也采用流水线结构。

  5、控制器

  ARM的控制器采用硬接线的可编程逻辑阵列PLA，其输入端有14根、输出端有40根，分散控制Load/Store多路、乘法器、协处理器以及地址、寄存器ALU和移位器。

  6、寄存器

  ARM内含37个寄存器，包括31个通用32位寄存器和6个状态寄存器。

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