典型ARM体系结构介绍

一、版本简介
迄今为止，ARM体系结构共定义了6个版本，版本号分别为1—6。同时，各版本中还有一些变种，这里将某些特定功能称为ARM体系的某种变种(variant)，例如支持Thumb指令集，称为T变种。长乘法指令(M变种)，ARM媒体功能扩展（SIMD）变种，支持JAVA的J变种，和增强功能的E变种。
ARM处理器核当前有6 个系列产品ARM7,，ARM9， ARM9E， ARM10E，SecurCore 以及最新的ARM11 系列。以及Intel XScale 微体系结构和StrongARM 产品各系列产品性能见下表
ARM7 性能特征
 Cache大小
（指令/数据） 存储器管理单元
 紧密耦合存储器
（TCM） Jazelle
 Thumb
 DSP
 AHB接口

ARM7TDMI 无 无 无 无 有 无 有
ARM7TDMI-S 无 无 无 无 有 无 有
ARM7EJ-S 无 无 无 有 有 有 有
ARM720T 8K MMU 无 无 有 无 有
ARM7采用ARMV4T（Newman)结构，分为三级流水，空间统一的指令与数据Cache，平均功耗为0.6mW/MHz，时钟速度为66MHz，每条指令平均执行1.9个时钟周期。其中的ARM710，ARM720和ARM740为内带Cache的ARM核。具有如下特点：
－ 具有嵌入式ICE－RT逻辑，调试开发方便。　　
－ 极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式产品。 　　
－ 能够提供0.9MIPS/MHz的三级流水线结构。　　
－ 代码密度高并兼容16位的Thumb指令集。　　
－ 对操作系统的支持广泛，包括Windows CE、Linux、Palm OS等。　　
－ 指令系统与ARM9系列、ARM9E系列和ARM10E系列兼容，便于用户的产品升级换代。　　
－ 主频最高可达130MIPS，高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂应用。　　
 ARM7系列微处理器的主要应用领域为：工业控制、Internet设备、网络和调制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。ARM7系列微处理器包括如下几种类型的核：ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ。其中，ARM7TMDI是目前使用最广泛的32位嵌入式RISC处理器，属低端ARM处理器核。TDMI的基本含义为：T：支持16为压缩指令集Thumb；D：支持片上Debug；M：内嵌硬件乘法器（Multiplier）I：嵌入式ICE，支持片上断点和调试点；
从ARM公司提供的ARM7 Data Sheet可以看出，ARM7属于结构比较简单的32位RISC体系结构，与一般的、采用五级流水线的32位RISC结构相比，简化了流水线的设计。这一方面限制了ARM7芯片性能的提升，另一方面使得ARM7的结构更加简单，不必考虑在多级流水线中需要解决的冲突、中断现场恢复等等复杂棘手的问题，有利于简化设计、提高设计的正确性、有效性。
由于指令长度、格式的限制，在ARM7的一般指令中，只能够访问4位的寄存器空间，这和其他32位RISC体系结构中能够访问到5位、6位的寄存器空间又不同。ARM7通过特殊的模式转换方式，使得用户可以访问到其它的15个通用寄存器。
ARM7所有的指令都是条件执行的。这在目前主流的32位RISC体系结构中并不多见。通过在指令中设置条件域，可以使得编译器有条件完成指令的条件执行功能，优化编译效果。另外，由于条件域的引入，使得在设计流水线的时候，必须考虑译码后的指令是否可以执行。
ARM7中的所有指令，除了访存指令之外，都是基于寄存器进行操作的，这是典型的RISC设计思路。
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注：arm体系结构的版本及命名方法
arm体系结构共定义了6个版本，版本号分别为1～6。
arm体系的变种：将某些特定功能称为arm体系的某种变种（variant）
#T变种（Thumb指令集）表示Thumb，该内核可从16位指令集扩充到32位ARM指令集。
#D：表示Debug，该内核中放置了用于调试的结构，通常它为一个边界扫描链JTAG，可使CPU进入调试模式，从而可方便地进行断点设置、单步调试。
#M变种（长乘法指令）表示Multiplier，是8位乘法器。
#I表示EmbeddedICE Logic,用于实现断点观测及变量观测的逻辑电路部分，其中的TAP控制器可接入到边界扫描链。
#E变种（增强型指令）DSP指令支持。
#J变种（Java加速器Jazelle）JAVA指令支持。
#SIMD变种（arm媒体功能扩展）单指令流多数据流（SIMD）能力使得软件更有效地完成高性能的媒体应用像声音和图像编码器。
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arm/thumb体系版本的字符串是由下面几部分组成的：
#字符串ARMV
#arm指令集版本号，1～6
#ARM指令集版本号后为表示所含变种的字符。由于在ARM体系版本4以后，M变种成为系统的标准功能，字符M通常不需要列出来。
#最后使用的字符x表示排除某种写功能。比如，在早期的一些E变种中，未包含双字读取指令LDRD、双字写入指令STRD、协处理器的寄存器传输指令MCRR／MRRC以及cache预取指令PLD。这种E变种记作ExP，其中x表示缺少，P代表上述的几种指令。如ARMv3M，ARMv5xM，ARMv6等
eg:ARMv5xM--->ARMv+4+x+M
ARM9 性能特征
 Cache大小
（指令/数据） 存储器管理单元
 紧密耦合存储器
（TCM） Jazelle
 Thumb
 DSP
 AHB接口
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ARM920T 16K/16K MMU 无 无 有 无 有
ARM922T 8K/8K MMU 无 无 有 无 有
ARM940T 4K/4K MMU 无 无 有 无 有
 ARM9采用ARMV4T（Harvard)结构，五级流水处理以及分离的Cache结构，平均功耗为0.7mW/MHz。时钟速度为120MHz-200MHz，每条指令平均执行1.5个时钟周期。与ARM7系列相似，其中的ARM920、ARM940和ARM9E为含Cache的CPU核。性能为132MIPS（120MHz时钟，3.3V供）或220MIPS（200MHz时钟）。
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ARM9 E性能特征
 Cache大小
（指令/数据） 存储器管理单元
 紧密耦合存储器
（TCM） Jazelle
 Thumb
 DSP
 AHB接口

ARM926EJS 4-128K/4-128 MMU 有 有 有 有 双AHB
ARM946EJS 4-1MB/4-1MB MMU 有 无 有 有 AHB
ARM966ES 无 无 有 无 有 有 AHB
 ARM9E系列微处理器为可综合处理器，使用单一的处理器内核提供了微控制器、DSP、Java应用系统的解决方案，极大的减少了芯片的面积和系统的复杂程度。ARM9E系列微处理器提供了增强的DSP处理能力，很适合于那些需要同时使用DSP和微控制器的应用场合。
　　ARM9E系列微处理器的主要特点如下：　　－ 支持DSP指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合。　　－ 5级整数流水线，指令执行效率更高。　　－ 支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。　　－ 支持32位的高速AMBA总线接口。　　－ 支持VFP9浮点处理协处理器。　　－ 全性能的MMU，支持Windows CE、Linux、Palm OS等多种主流嵌入式操作系统。　　－ MPU支持实时操作系统。　　－ 支持数据Cache和指令Cache，具有更高的指令和数据处理能力。　　－ 主频最高可达300MIPS。　　ARM9系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、存储设备和网络设备等领域。　　ARM9E系列微处理器包含ARM926EJ-S、ARM946E-S和ARM966E-S三种类型，以适用于不同的应用场合。　　
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ARM10 E性能特征
 Cache大小
（指令/数据） 存储器管理单元
 紧密耦合存储器
（TCM） Jazelle
 Thumb
 DSP
 AHB接口

ARM1020E 32K/32K MMU 无 无 有 有 双AHB
ARM1022E 16K/16K MMU 无 无 有 有 双AHB
ARM1026EJ-S 可变 MMU+ MMU 有 有 有 有 双AHB
ARM10采用ARMV5T结构，六级流水处理，指令与数据分离的Cache结构。平均功耗为1000mW，时钟速度为300MHz，每条指令平均执行1.2个周期，其中ARM1020为带Cache的版本。ARM10TDMI：与所有ARM核在二进制级代码兼容，内带高速32X16MAC，预留DSP协处理器接口。其中的VFP10（矢量浮点单元）为七级流水结构。ARM1020T：ARM10TDMI+32K Caches+MMU结构，300MHz时钟，功耗为1W（2.0V供电）或00mW（1.5V供电）。指令Cache和数据Cache分别为32K，宽度为64bits。能够技术多种商用操作系统。适用于下一代高性能手持式因特网设备及数字式消费类应用。
ARM10E系列微处理器具有高性能、低功耗的特点，由于采用了新的体系结构，与同等的ARM9器件相比较，在同样的时钟频率下，性能提高了近50％，同时，ARM10E系列微处理器采用了两种先进的节能方式，使其功耗极低。　　ARM10E系列微处理器的主要特点如下： 　　－ 支持DSP指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合。　　－ 6级整数流水线，指令执行效率更高。　　－ 支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。　　－ 支持32位的高速AMBA总线接口。　　－ 支持VFP10浮点处理协处理器。　　－ 全性能的MMU，支持Windows CE、Linux、Palm OS等多种主流嵌入式操作系统。　　－ 支持数据Cache和指令Cache，具有更高的指令和数据处理能力　　－ 主频最高可达400MIPS。　　－ 内嵌并行读/写操作部件。　　ARM10E系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、通信和信息系统等领域。　　ARM10E系列微处理器包含ARM1020E、ARM1022E和ARM1026EJ-S三种类型，以适用于不同的应用场合。
ARM11性能特征
 Cache大小
（指令/数据） 符点
运算 存储器管理单元
 紧密耦合存储器
（TCM） Jazelle
 SIMD
 DSP
 AHB接口
ARM1136J-S 4-64K 无 MMU 有 有 有 有 四个64
位AHB
ARM1136JF-S 4-64K 有 MMU 有 有 有 有 四个64
位AHB
ARM11是ARMv6体系结构的第一个实现，ARM11微结构的设计目