ARM架構(gòu)那些事之內(nèi)核、SOC、指令集等

1、ARM與指令集與架構(gòu)

ARM的全稱為Advanced RISC Machines，直譯為高級精簡指令集處理器;RISC即為精簡指令集，那么對應(yīng)的就存在CISC，其為復(fù)雜指令集。

CISC指令集在計(jì)算機(jī)早期比較常用，CISC指令比較長，實(shí)現(xiàn)的功能比較多，這樣對內(nèi)存的訪問相對比較少，但CPU設(shè)計(jì)相對復(fù)雜；而采用RICS常用指令流水線來提高指令利用效率。

（注:RISC--Reduced Instruction Set Computers，CISC--Complex Instruction Set Computers）

我們需要明確的是ARM不生產(chǎn)芯片，它只是進(jìn)行ARM架構(gòu)的設(shè)計(jì)，并授權(quán)給相應(yīng)的半導(dǎo)體廠家來生產(chǎn)芯片，所以大家通常稱ARM為半導(dǎo)體知識產(chǎn)權(quán)（IP）提供商，與RISC-V這種完全開放架構(gòu)不同，目前看來RISC-V完全開源且架構(gòu)簡單，給ARM帶來了新的挑戰(zhàn)。

ARM授權(quán)也是分不同層面的，包括架構(gòu)層、內(nèi)核層和應(yīng)用層授權(quán)，不同層面所開放的具體內(nèi)容不同，架構(gòu)層可以直接修改成自己的處理器，而內(nèi)核層也叫IP核層，主要是用于擴(kuò)展自己的外設(shè)來形成自己的SOC等，而應(yīng)用層權(quán)限就更少了。

2、ARM架構(gòu)種類

內(nèi)核與架構(gòu)經(jīng)常有一些朋友分不清，我們常說的ARMV1~ARMV9都是表示不同版本的架構(gòu)，不同的架構(gòu)，指令集也存在差異，然而根據(jù)不同的架構(gòu)又開發(fā)出了不同CPU內(nèi)核，比如Cortex-A，Cortex-M等。

目前主要是三種CPU架構(gòu)系列：

• A 系列 （應(yīng)用）

所有架構(gòu)系列的最高性能

主要的Arm 處理器 IP 范圍：Cortex-A、Neoverse ， Cortex-X

主要用于復(fù)雜的計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域，例如PC、筆記本電腦、智能電視、服務(wù)器、聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、智能手機(jī)、車用信息娛樂系統(tǒng)、云存儲設(shè)備和超級計(jì)算機(jī)。

• R 系列（ 實(shí)時(shí)）

針對具有實(shí)時(shí)需求的系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化

主要的Arm 處理器 IP 范圍：Cortex-R

需要實(shí)時(shí)響應(yīng)需求的安全關(guān)鍵應(yīng)用或需要決定性響應(yīng)的應(yīng)用，例如醫(yī)療設(shè)備、車輛駕駛、剎車與警示、網(wǎng)絡(luò)和儲存設(shè)備，以及嵌入式控制系統(tǒng)。

• M 系列 （微控制器）

專為小型、低功耗、高效節(jié)能裝置而設(shè)計(jì)

主要的Arm 處理器 IP 范圍：Cortex-M

能源效率、功耗及尺寸優(yōu)先。安全性處理器、物聯(lián)網(wǎng)以及像是穿戴式裝置、小型感測器、通訊模塊和智慧家庭產(chǎn)品等嵌入式裝置，大部分單片機(jī)都是基于此架構(gòu)來設(shè)計(jì)。

3、SOC

在芯片行業(yè)SoC與電池中的SOC不同，這里的全稱為System-on-a-chip，也叫片上系統(tǒng)。SOC上不僅僅包括處理器核還包括一些訪問總線，外設(shè)控制器、片內(nèi)RAM等等。

這樣看來，我們平時(shí)看到的單片機(jī)，比如stm32芯片；處理器芯片，比如i.MX 6ULL；或者是DSP，TMS320280049等等，都可以認(rèn)識為SoC。

SOC片上系統(tǒng)的各部分都是通過總線進(jìn)行通信連接，通?？偩€分為地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。在CPU和內(nèi)部RAM之間可能存在多級高速緩存，這些緩存速度非?？?，可以提高CPU訪問數(shù)據(jù)的能力。

那一般內(nèi)核里面有些什么呢？如下是CORTEX-M55的內(nèi)核大致功能框架:

比如一些平時(shí)開發(fā)中提到的MPU內(nèi)存保護(hù)單元、FPU浮點(diǎn)運(yùn)算單元、DSP處理單元，JTAG調(diào)試單元等等，都位于內(nèi)核上。

3、兩大體系結(jié)構(gòu)

分別是馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)和哈佛體系結(jié)構(gòu)。

馮·諾依曼結(jié)構(gòu)采用代碼與數(shù)據(jù)的統(tǒng)一編址，存儲器上的程序和數(shù)據(jù)加載到RAM中，然后CPU根據(jù)指令運(yùn)行對應(yīng)的程序。

哈佛結(jié)構(gòu)是獨(dú)立編址的，代碼空間與數(shù)據(jù)空間分開：

所以大部分的單片機(jī)都采用的哈佛架構(gòu)，當(dāng)然現(xiàn)在也出現(xiàn)了非常多兩者混合的形式。