arm内核全解析_arm内核体系结构分类介绍 - 全文

ARM处理器是英国Acorn有限公司设计的低功耗成本的第一款RISC微处理器。全称为Advanced RISC Machine。ARM处理器本身是32位设计，但也配备16位指令集，一般来讲比等价32位代码节省达35%，却能保留32位系统的所有优势。

ARM内核特点

ARM处理器为RISC芯片，其简单的结构使ARM内核非常小，这使得器件的功耗也非常低。它具有经典RISC的特点：

* 大的、统一的寄存器文件；

* 简单的寻址模式；

* 统一和固定长度的指令域，3地址指令格式，简化了指令的译码。编译开销大，尽可能优化，采用三地址指令格式、较多寄存器和对称的指令格式便于生成优化代码；

* 单周期操作，ARM指令系统中的指令只需要执行简单的和基本的操作，因此其执行过程在一个机器周期内完成；

* 固定的32位长度指令，指令格式固定为32位长度，这样使指令译码结构简单，效率提高；

* 采用指令流水线技术。

ARM内核体系结构

ARM架构自诞生至今，已经发生了很大的演变，至今已定义了7种不同的版本：

V1版架构：该架构只在原型机ARM1出现过，其基本性能包括基本的数据处理指令（无乘法）、字节、半字和字的Load/Store指令、转移指令，包括子程序调用及链接指令、软件中断指令、寻址空间64MB。

V2版架构：该版架构对V1版进行了扩展，如ARM2与ARM3（V2a版）架构，增加的功能包括乘法和乘加指令、支持协处理器操作指令、快速中断模式、SWP/SWPB的最基本存储器与寄存器交换指令、寻址空间64MB。

V3版架构：该版对ARM体系结构作了较大的改动，把寻址空间增至32位（4GB），增加了当前程序状态寄存器CPSR和程序状态保存寄存器 SPSR以便于异常处理。增加了中止和未定义2种处理器模式。ARM6就采用该版结构。指令集变化包括增加了MRS/MSR指令，以访问新增的CPSR /SPSR寄存器、增加了从异常处理返回的指令功能。

V4版架构：V4版结构是目前最广泛应用的ARM体系结构，对V3版架构进行了进一步扩充，有的还引进了16位的Thumb指令集，使ARM使用更加灵活。ARM7、ARM9和StrongARM都采用了该版结构。其指令集中增加的功能包括符号化和非符号化半字及符号化字节的存/取指令、增加了16 位Thumb指令集、完善了软件中断SWI指令的功能、处理器系统模式引进特权方式时使用用户寄存器操作、把一些未使用的指令空间捕捉为未定义指令。

V5版架构：在V4版基础上增加了一些新的指令。ARM10和XScale都采用该版架构。这些新增指令有带有链接和交换的转移BLX指令、计数前导零计数CLZ指令、BRK中断指令、增加了信号处理指令（V5TE版）、为协处理器增加更多可选择的指令。

V6版架构：ARM体系架构V6是2001年发布的。基本特点包括100%与以前的体系兼容、SIMD媒体扩展，使媒体处理速度快1.75倍、改进了的内存管理，使系统性能提高30%、改进了的混合端（Endian）与不对齐数据支持，使得小端系统支持大端数据（如TCP/IP），许多RTOS是小端的、为实时系统改进了中断响应时间，将最坏情况下的35周期改进到了11个周期。

V7版架构：ARM体系架构V7是2005年发布的。它使用了能够带来更高性能、功耗效率和代码密度的Thumb-2技术。它首次采用了强大的信号处理扩展集，对H.264和MP3等媒体编解码提供加速。Cortex-M3处理器采用的就是V7版的结构。

ARM处理器核使用的体系结构如下表所示。

ARM核心采用的体系结构

ARM 内核分类

ARM 微处理器目前包括下面几个系列，以及其它厂商基于 ARM 体系结构的处理器，除了具有

ARM 体系结构的共同特点以外，每一个系列的 ARM 微处理器都有各自的特点和应用领域。

－ ARM7 系列

－ ARM9 系列

－ ARM9E 系列

－ ARM10E 系列

－ ARM11系列

－ Cortex 系列

－ SecurCore 系列

－ OptimoDE Data Engines

－ Intel的Xscale

－ Intel的StrongARM ARM11系列

其中，ARM7、ARM9、ARM9E 和 ARM10 为4 个通用处理器系列，每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。SecurCore 系列专门为安全要求较高的应用而设计。

Axxia 4500通信处理器基于采用28纳米工艺的ARM 4核Cortex-A15处理器，并搭载ARM全新CoreLink CCN-504高速缓存一致性互连技术，实现安全低功耗和最佳性能。

ARM公司在经典处理器ARM11以后的产品改用Cortex命名，并分成A、R和M三类，旨在为各种不同的市场提供服务。

Cortex-A57、A53处理器

Cortex-A53、Cortex-A57两款处理器属于Cortex-A50系列，首次采用64位ARMv8架构，意义重大，这也是ARM最近刚刚发布的两款产品。

Cortex-A57是ARM最先进、性能最高的应用处理器，号称可在同样的功耗水平下达到当今顶级智能手机性能的三倍；而Cortex-A53是世界上 能效最高、面积最小的64位处理器，同等性能下能效是当今高端智能手机的三倍。这两款处理器还可整合为ARM big.LITTLE（大小核心伴侣）处理器架构，根据运算需求在两者间进行切换，以结合高性能与高功耗效率的特点，两个处理器是独立运作的。

Cortex-A15处理器架构解析

ARM Cortex-A15处理器隶属于Cortex-A系列，基于ARMv7-A架构，是业界迄今为止性能最高且可授予许可的处理器。

Cortex-A15 MPCore处理器具有无序超标量管道，带有紧密耦合的低延迟2级高速缓存，该高速缓存的大小最高可达4MB。浮点和NEON媒体性能方面的其他改进使设 备能够为消费者提供下一代用户体验，并为 Web 基础结构应用提供高性能计算。Cortex-A15处理器可以应用在智能手机、平板电脑、移动计算、高端数字家电、服务器和无线基础结构等设备上。

理论上，Cortex-A15 MPCore处理器的移动配置所能提供的性能是当前的高级智能手机性能的五倍还多。在高级基础结构应用中，Cortex-A15 的运行速度最高可达2.5GHz，这将支持在不断降低功耗、散热和成本预算方面实现高度可伸缩的解决方案。

应用案例：三星Exynos 5250。三星Exynos 5250芯片是首款A15芯片，应用在了最近发布的Chromebook和Nexus 10平板电脑上面。Exynos 5250的频率是1.7GHz，采用32纳米的HKMG工艺，配备了Mali-604 GPU，性能强大。另外据传三星下一代Galaxy S4将会搭载四核版的Exynos 5450芯片组，同样应用Cortex-A15内核。另外NVIDIA Tegra 4会采用A15内核。