實用乾貨：關於處理器ARM知識匯總

基於鼎易鴻基&萬酷電子的掃描槍產品採用的處理器都是ARM32-bit，所以今天我們來簡單探討下關於ARM處理器的相關知識，歡迎各路大神指點交流。

【ARM處理器簡介】

ARM處理器是一種低能耗高性能的32位RISC（精簡指令系統）處理器，它共有31個32位寄存器，而其中16個可以在任何模式下看到；它的指令為簡單的加載和存儲指令（從內存加載某個值，執行完操作後再將其放回內存）。

一般來講比等價32位代碼節省到35%，卻能保留32位系統的所有優勢。

【ARM處理器的特點】

1.體積小、低功耗、低成本、高性能

2.之處Thunb（16位）/ARM（32位）雙指令集，能很好的兼容8位/16位器件

3.大量使用寄存器，指令執行速度更快

4.大多數數據操作都在寄存器中完成

5.尋址方式靈活簡單，執行效率高

6.指令長度固定

【ARM體系結構】

ARM架構是構建每個ARM處理器的基礎。

ARM架構支持跨越多個性能點的實現，並已在許多細分市場中成為主導的架構。

ARM架構支持非常廣泛的性能點，因而可以和最新的微架構技術獲得極小的ARM處理器實現和極有效的高級設計實現。

實現規模、性能和低功耗是ARM架構的關鍵特性。

ARM已經開發了架構擴展，從而為JAVA加速（JAZELLE@）、安全性（TruseZone®）、SIMD和高級SIMD（NEON™）技術提供支持。

因為ARM架構與精簡指令集計算（RISC）架構類似，所以我們先來說說RISC架構。

RISC是一種設計思想，其目標是設計出一套能夠在高時鐘頻率下單周期執行、簡單而有效的指令集。

它的設計重點是在於降低由硬體執行的指令的複雜度，因為軟體比硬體更容易提供更大的靈活性和跟高的智能。

因此，RICS設計對編譯器有更高的要求。

RISC是在CISC指令系統基礎上大戰起來的，因為對CISC機進行測試表明，各種指令的使用頻率相當懸殊，最常使用的一些比較簡單的指令，他它們本身只占指令總數的20%，但在程序中出現的頻度卻占80%，複雜的指令系統必然增加未處理器的複雜性，使處理器的研製時間長、成本高，並且複雜的指令需要複雜的操作，必然會降低計算機的速度，所以RISC誕生了。

【RISC和CISC之間的主要區別】

因為ARM架構與精簡指令集計算（RISC）架構類似，隨意ARM架構包含了RISC的特性：

1.讀取/儲存 架構

2.不支援地址不對齊內存存取(ARMv6內核現已支援)

3.正交指令集(任意存取指令可以任意的尋址方式存取數據Orthogonal instruction set)

4.大量的16 × 32-bit 暫存器檔案(寄存器陣列register file)

5.固定的32 bits 操作碼寬(opcode)，降低編碼數量所產生的耗費，減輕解碼和管線化的負擔。

6.大多均為一個CPU周期執行。

為了補強這種簡單的設計方式，相較於同時期的處理器，還多加了一些特殊設計：

1.大部分指令可以條件式地執行，降低在分支時產生的負重，彌補分支預測器(branch predictor)的不足。

2.算數指令只會在要求時更改條件編碼(condition code)

3.32-bit筒型位移器(barrel shifter)可用來執行大部分的算數指令和尋址計算而不會損失效能

4.強大的索引尋址模式(addressing mode)

5.精簡但快速的雙優先級中斷子系統，具有可切換的暫存器組

有個附加在ARM設計中好玩的東西，就是使用一個4-bit 條件編碼 在每個指令前頭，表示每支指令的執行是否為有條件式的

【ARM體系結構的命名規則】

ARM產品通常以ARM[x][y][z][T][D][M][I][E][J][F][-S]形式出現

【ARM體系的變種】

在ARM體系中增加的某些特定功能稱為ARM體系的某種變種（Variant）。

1.Thumb指令集（T變種）

Thumb指令集是將ARM指令集的一個子集重新編碼而形成的的一個指令集。

ARM指令長度為32位，Thumb指令長度為16位。

與ARM指令集相比，Thumb指令集具有一定的局限性，即完成相同的操作，Thunmb指令通常需要更多的指令。

因此在對系統運行時間要求苛刻的應用場合，ARM指令集更為合適。

Thumb指令集沒有包含進行異常處理時需要的一些指令，所以在異常中斷的低級處理時，還是需要使用ARM指令。

這種限制決定了Thumb指令需要和ARM指令配合使用。

2.長乘法指令（M變種）

M變種增加了兩條用於進行長乘法操作的ARM指令：其中一條指令用於實現32位整數乘以32位整數，生成64位整數的長乘法操作，另一條指令用於實現32位整數乘以32位整數，然後再加上32位整數，生成64位整數長乘操作。

在需要這種長乘法的應用場合，使用M變種比較合適，然而，在有些應用場合中，乘法操作的性能並不重要，在系統實現時就不適合增加M變種的功能。

3.增強型DSP指令（E變種）

E變種包含了一些附加的指令，這些指令用於增強處理器對一些典型DSP算法的處理性能，主要包括：幾條新的實現16位數據乘法和乘加操作的指令，實現飽和的帶符號數的加減法操作指令。

所謂飽和的帶符號數的加減法操作是在加減法操作溢出時，結果並不進行卷繞，而是使用最大的正數或最小的負數來表示。

進行數字數據操作的指令，包括雙字數讀取指令LDRD、雙字寫入指令STRD和協助處理器的寄存器傳輸指令MCRR/MRRC、Cache預取指令PLD。

4.JAVA加速器Jazelle（J變種）

ARM的Jazelle技術將Java的優勢和先進的32位RISC晶片完美地結合在一起。

Jazelle技術提供了Java加速功能，可以得到比普通Java虛擬機高得多的性能。

與普通的Java虛擬機相比，Jazelle使Java代碼運行速度提高了3倍，而功耗降低了80%

Jazelle技術使得程式設計師可以在一個單獨對的處理器上同時運行Java應用程式、已經建立好的作業系統、中間件以及其他應用程式。

與使用協處理器和雙處理器相比，使用單獨的處理器可以在提供高性能的同時，保證低功耗和低成本。

5.ARM媒體功能擴展（SIMD變種）

ARM媒體功能擴展為嵌入式應用系統提供了高性能的音頻/視頻處理技術。

這就要求處理器能夠提供很強的數位訊號處理能力，同時還必須保持低功耗，以延長電池的使用時間。

ARMd的SIMD媒體功能擴展為這些應用需要提供了解決方案。

SIMD變種的主要特點：可以同時進行兩個16位操作數或者4個8位操作數的運算，提供了小數算數運算，用戶可以定義飽和運算的模式，兩套16位操作數的乘加/乘減運算，32位乘以32位的小數MAC，同時8位/16位選擇操作。

---

鼎酷IOT部落（dkiot888）是由鼎易鴻基&萬酷電子聯合出品，專注於為大家提供物聯網精髓的新媒體平台。

我們關注物聯網行業最新動態，專注做您的物聯網口袋知識庫，旨在搭建共同學習的知識平台，讓您學得方便，聊得暢快；鼎酷IOT部落用心做大家的「良仆」。

各項內容鼎酷IOT 部落微信公眾號同步。

物聯網行業頂尖產品諮詢也歡迎留言。