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如何理解ARM架构？

创作时间:

作者:

@小白创作中心

如何理解ARM架构？

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来源

https://xueqiu.com/1881672770/322459798

ARM架构是低功耗、高性能处理器的代表，广泛应用于移动设备、嵌入式系统和物联网等领域。本文将从ARM架构的发展历程、核心技术、处理器系列、指令集、系统结构以及常用操作系统等多个维度，全面解析这一在现代计算领域占据重要地位的架构体系。

相关理论基础

1.1 ARM架构概述

ARM架构是一种精简指令集计算机（RISC）架构，自其诞生以来，以低功耗、高性能和易于集成的特性，在计算机体系结构中占据了重要地位。ARM架构的发展历程从最初的ARMv1逐步演进至如今的ARMv9，每一代版本的更新都标志着技术的进步和性能的提升，体现了其对市场需求的快速响应。

架构版本	技术特性
Armv4	Thumb：16位指令集，旨在减少代码大小，提高内存效率。
Armv5	Jazelle：允许Java字节码直接在CPU上执行，提高了Java应用的性能。
Armv6	Thumb-2：Thumb指令集的扩展，支持32位指令，进一步提高了性能和效率。
Armv7	Adv SIMD：先进的SIMD指令集，进一步增强了多媒体和信号处理能力。
Armv8	Improved Virtualization：改进的虚拟化技术，提供了更强的虚拟机管理和隔离能力。
Armv9	Machine Learning：支持机器学习应用，优化了神经网络和其他机器学习算法的执行。

1.2 Cortex处理器系列

ARM的Cortex系列是ARM处理器产品线中最广泛应用的家族，针对不同的应用场景，分为Cortex-A、Cortex-R和Cortex-M三大类，每一类都有各自的特点和目标应用。

处理器系列	特性	应用场景
Cortex-A	专为高性能计算设计，支持高级操作系统（如Android、Linux、Windows）。	智能手机、平板和智能电视。
Cortex-R	专为实时控制系统设计，具有高可靠性和低延迟的特点。	汽车领域用于电子控制单元（ECU）、自动驾驶系统和高级驾驶辅助系统（ADAS）。
Cortex-M	针对微控制器应用，具有超低功耗、简单易用和高度集成的特点。	电池供电的设备，如智能手表、温控器、智能灯泡等智能家居产品。

1.3 其他ARM处理器设计

除了传统的Cortex系列处理器，ARM还推出了针对高性能计算和数据中心的专用架构，满足云计算、大数据和边缘计算等新兴领域的需求。

Neoverse架构：ARM专为数据中心和高性能计算（HPC）设计的架构，重点提升多核计算能力、能效和系统带宽。它与传统的Cortex系列不同，针对的是服务器级别的计算环境，致力于提供更高的并行处理能力和更强的计算性能。

1.4 ARM的授权模式

ARM架构的成功还源于其开放的授权模式，吸引了大量芯片厂商参与其中。国内如华为和紫光展锐等企业，基于ARM架构开发了多款具有自主知识产权的处理器产品，这些产品广泛应用于智能手机、平板电脑、物联网等领域，进一步推动了ARM架构的普及和发展。

1.5 ARM指令集

ARM指令集作为ARM架构的核心，设计中体现了简洁与高效的理念。其主要分为两大类：ARM指令和Thumb指令，分别针对不同的应用场景和性能需求。

特性	ARM指令集	THUMB指令集
指令集宽度	32位指令集，每条指令32位	16位指令集，每条指令16位
数据地址指令	可以同时处理三个操作数的数据地址指令	只能同时处理两个操作数的数据地址指令
通用寄存器数量	有16个通用目的寄存器 (R0-R15)	只有8个通用目的寄存器 (R0-R7)，某些指令可以访问额外的寄存器
二进制编码规则性	二进制编码更加规范，有利于编译器和优化器的实现	编码较为简单，但由于指令长度限制，可能不如ARM指令集规范
指令集关系	ARM的完整指令集	ARM指令集的一个子集
代码密度	指令较长，代码密度较低	指令较短，代码密度较高，节省存储空间
性能/功耗效率	提供更多的功能和灵活性，但可能功耗较高	通过减小指令长度提高了代码效率和降低了功耗，适合对功耗要求较高的系统

1.6 ARM处理器结构

ARM处理器的核心结构是其实现高性能和低功耗的基础，主要包括处理器核心、缓存系统和总线接口等关键模块。这些组件通过紧密协作，确保指令的高效执行和数据的快速处理。

模块	中文名称	功能解析
ARMCore	中央处理单元核心部分，负责执行指令和进行数据处理。ARM架构的RISC设计特点使其能够高效处理任务，支持低功耗和高性能的计算。
NVIC	嵌套矢量中断控制器，用于处理中断管理和优先级控制，可高效处理多种中断，提高系统响应速度，允许多个中断源以嵌套方式处理，并为高优先级中断提供快速服务。
WIC	唤醒中断控制器，主要用于低功耗模式下，通过外部中断信号唤醒处理器，帮助设备节省能源。这对于延长电池寿命的设备（如物联网和智能穿戴设备）至关重要。
ETM	嵌入式追踪宏单元，用于实时调试和监测处理器运行状态，帮助开发者分析程序执行情况，是强大的调试工具，使开发阶段能够快速定位和解决问题。
DAP	调试访问端口，提供外部调试工具和处理器之间的接口，使开发者能够直接访问内部资源进行调试和程序烧录，有助于加速开发和问题解决。
Memory Protection Unit (MPU)	内存保护单元，用于防止非法访问内存，从而提升系统的安全性和稳定性。通过设置不同的内存区域和访问权限，确保程序和数据安全，避免未授权的内存操作。
Serial Wire Viewer (SWV)	串行线查看器，提供一种低开销的实时数据追踪和输出功能，可以监视处理器的内部状态，帮助开发人员实时查看程序执行过程，有助于调试和性能优化。
Data Watchpoints & Flash Patch	数据监视点和闪存补丁，数据监视点用于在特定的数据访问时触发中断，有助于调试特定的数据操作。闪存补丁允许在调试阶段进行代码替换和修改，而无需重新编译整个程序。
Bus Matrix	总线矩阵，提供芯片内各个模块之间的数据传输路径，使得处理器、存储器和外设之间能够高效通信。总线矩阵的设计决定了系统的整体数据处理效率，影响性能表现。
CodeInterface	代码接口，用于与存储代码的外部存储器（如Flash）进行交互。ARM处理器在运行时通过该接口从外部存储器加载指令，确保指令读取的稳定性和速度。
SRAM & Peripheral I/F	SRAM及外设接口，提供与片内SRAM（静态随机存取存储器）和外部设备的接口，支持数据存储和外设控制。例如，可连接传感器、显示器等各种外部设备，增强系统的功能扩展性。

1.7 ARM架构中的关键技术

ARM架构中的关键技术涵盖了多核技术、低功耗设计和虚拟化技术等领域，这些技术协同作用，构成了ARM架构的核心竞争力，使其在多样化的应用场景中表现卓越。

技术领域	关键技术	描述
低功耗设计	动态功耗管理	ARM处理器能够根据不同工作负载动态调整功耗，如在闲置或轻负载状态时自动进入休眠模式，降低运行频率，从而显著降低功耗。
电源门控技术	采用先进的电源门控技术，可以精确控制各模块的供电状态，关闭不需要的功能单元，减少整体功耗。
节能模式设计	多种节能模式（如深度睡眠和轻度睡眠），根据实时负载需求进行切换，保持低能耗运行。
高性能处理	优化处理器核心设计	通过采用多发射（superscalar）和乱序执行（out-of-order execution）等技术，提升指令执行效率，实现多条指令的并行处理。
高速缓存机制	引入多级高速缓存（L1、L2、L3），减少数据读写延迟，存储常用数据和指令，提升数据访问速度。
内存访问优化	通过低延迟的内存接口和预取（prefetch）技术，优化内存访问，提升数据处理能力和响应速度。
其他技术环节	芯片布局布线	利用电子设计自动化（EDA）工具进行自动化设计，优化芯片的物理布局和布线，确保满足性能、功耗和信号完整性等要求。
测试与验证	采用严格的测试流程和仿真验证手段，确保芯片功能的正确性和性能的稳定性，及时发现并修复潜在缺陷。

1.8 ARM常用的操作系统

ARM架构上常用的操作系统种类繁多，涵盖从开源平台到专有系统，为基于ARM的设备提供了多样化的软件生态支持。

操作系统	描述	特点
Linux	作为全球最受欢迎的开源操作系统，Linux在ARM架构上展现了极高的适应性和广泛的应用。其开放性和可定制性使其能够根据设备的特定需求进行灵活裁剪和优化，适用于智能手机、平板电脑、嵌入式系统、物联网设备和服务器等多种应用场景。开发者可以自由获取和修改源代码，为ARM设备设计高效、定制化的功能。	开源特性推动了大量开源软件生态的发展。灵活裁剪与优化以满足不同设备需求。适用范围广泛。
Windows RT	微软推出的Windows RT专门针对ARM架构进行优化，继承了Windows系列的用户界面和应用生态。设计目标是为平板电脑和轻薄笔记本提供流畅、稳定的操作体验。通过优化处理器调度、内存管理和电源管理，Windows RT在ARM设备上实现了较高的能效比，带来更长的电池续航和更高效的性能。	针对ARM优化，提供流畅的用户体验。较高的能效比和电池续航。封闭性增强了系统安全性和稳定性。
Android	Android是目前智能手机和平板电脑市场上最广泛使用的操作系统之一，特别针对ARM架构进行了深度优化。基于Linux内核，具有开源特性，允许开发者开发多样化的应用和服务。ARM架构在移动设备中的普及，使得Android优化了运行机制，包括处理器调度、内存管理和电源优化等，以实现出色的性能和续航能力。	丰富的应用生态，支持多样的设备配置。优化运行机制，提升性能与续航。开源特性促进应用开发。
iOS	苹果的iOS系统是ARM架构在移动设备上的代表。iOS针对苹果自研的ARM架构芯片（如A系列处理器）进行了高度优化，以实现卓越的性能和极低的功耗。软硬件一体化设计使iOS设备具备流畅的操作体验、强大的图形处理能力和长时间的电池续航。尽管iOS是封闭系统，但苹果提供了优质的开发工具（如Xcode）为开发者提供支持。	高度优化的性能与低功耗。软硬件一体化设计带来流畅体验。严格的开发规范和优质工具确保应用的稳定性与一致性。

总体而言，ARM架构上常见的操作系统各具特色，形成了丰富多样的软件生态。Linux的开放性、Windows RT的优化能效、Android的广泛适配性和iOS的软硬件协同设计，共同推动了ARM架构在移动设备、嵌入式系统以及其他新兴技术领域的快速发展。随着ARM架构的不断进步，未来这些操作系统将在更多场景中得到更广泛的应用和创新。