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【物联网】ARM核介绍

article 2025/2/28 19:47:15

文章目录

一、芯片产业链
- 1. CPU核
- - (1)ARM
  - (2)MIPS
  - (3)PowerPc
  - (4)Intel
  - (5)RISC-V
- 2. SOC芯片
- - (1)主流厂家
  - (2)产品解决方案
- 3. 产品
二、ARM核发展
- 1. 不同架构的特点分析
- - (1)VFP
  - (2)Jazelle
  - (3)Thumb
  - (4)TrustZone
  - (5)SIMD
  - (6)NEON
三、ARM核(ARMv7)工作模式
- 1. 权限级别(privilege level)
- 2. ARM processor modes
- - (1)用户模式 User mode
  - (2)系统模式 system mode
  - (3)管理模式 Supervisor mode
  - (4)中止模式 Abort mode
  - (5)未定义模式 Undefined mode
  - (6)中断模式<快速> FIQ mode
  - (7)中断模式<一般> IRQ mode
  - (8)非安全PL2模式 Hyp mode
  - (9)监视者模式 Monitor mode
四、ARM核(ARMv7)的寄存器资源
- 1. 寄存器用途分析
- 2. CPSR(Current Program Status Register)
- 3. SPSR(Saved Program status Register)

一、芯片产业链

1. CPU核

CPU又叫中央处理器，其主要功能是进行运算和逻辑运算，内部结构大概可以分为控制单元、算术逻辑单元和存储单元等几个部分。按照其处理信息的字长可以分为:八位微处理器、十六位微处理器、三十二位微处理器以及六十四位微处理器等等

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CPU厂家主要工作:

机器码设计
主频
高速缓存(cache)
多核集成
硬件浮点运算
数据运算
功耗
等等……

CISC: Complex Instruction Set Computer，复杂指令集计算机;
RISC: Reduced Instruction Set Computer, 精简指令集计算机;

(1)ARM

ARM是Advanced RIsc Machines的缩写，它是一家微处理器行业的知名企业，该企业设计了大量高性能、廉价、低功耗的RISC(精简指令集)处理器。
ARM 公司的特点是只设计芯片，而不生产(被逼的)。它将技术授权给半导体厂商，并提供服务。

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ARM将其芯片设计技术(内核、体系扩展、微处理器和系统芯片方案)授权给Intel，Samsung,TI，高通(Qualcomm)，意法半导体等半导体制造商，这些厂商拿到ARM内核以后，再设计外围的各种控制器，和ARM核整合成一块SOC芯片

(2)MIPS

MIPS(Million Instructions Per second) 技术公司是美国一家设计制造高性能、高档次及嵌入式32位和64位处理器的厂商，在RISC处理器方面占有重要地位。
MIPS的商业模式和ARM相似，也是研发处理器内核，将知识产权授权给其他公司。我国的国产处理器商龙芯就是获得MIPS32和MIPS64架构的授权，借此开发龙芯CPU。

(3)PowerPc

PowerPC(英语:Performance Optimization With Enhanced RIsC-Performance Computing，有时简称PPC)是一种精简指令集(RISC)架构的中央处理器(CPU)，其基本的设计源自IBM的POWER(Performance Optimized With Enhanced RIsc);

(4)Intel

X86架构是复杂指令集，主要用于PC产业（AMD YES

(5)RISC-V

开源的内核

RISC-V(读作"RISC-FIVE”)是基于精简指令集计算(RISC)原理建立的开放指令集架构(ISA)，V表示为第五代RISC(精简指令集计算机),表示此前已经有四代RISC处理器原型芯片。每一代RISC处理器都是在同一人带领下完成，那就是加州大学伯克利分校的David A.Patterson教授。与大多数ISA相反，RISC-V ISA可以免费地用于所有希望的设备中，允许任何人设计、制造和销售RISC-V芯片和软件。

2. SOC芯片

SOC(System On chip:CPU核 + 外围控制器),片上系统，即在一块芯片上集成一整个信息处理系统，简单来说 SoC芯片是在中央处理器CPU的基础上扩展专用接口的超大规模集成电路，是智能设备的“大脑”。
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(1)主流厂家

德州仪器(TI)
高通(Qualcomm)
三星(Samsung)
恩智浦(NXP)
全志(Allwinner Technology)
华为海思(Hisilicon)
联发科(MTK)
瑞星薇(rockchip)

(2)产品解决方案

手机解决方案
平板解决方案
智能电视解决方案
等等……

3. 产品

特斯拉
小米
华为
格力
大疆
飞利浦

二、ARM核发展

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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，旨在为各种不后的市场提供服务。Cortex系列属于ARMv7架构，由于应用领域不同，基于v7架构的Cortex处理器系列所采用的技术也不相同，基于v7A的称为Cortex-A系列，基于v7R的称为Cortex-R系列，基于v7M的称为Cortex-M系列。
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1. 不同架构的特点分析

(1)VFP

VFP(Vector Floating-point Coprocessor for ARM)向量浮点运算单元(协处理器)。它提供低成本的单精度和倍精度浮点运算能力，并完全相容于ANSI/IEEE Std 754-1985 二进制浮点算数标准。VFP 提供大多数适用于浮点运算的应用，例如PDA、智慧手机、语音压缩与解压、3D图像以及数位音效、打印机、机上盒，和汽车应用等。

(2)Jazelle

Jazelle是ARM体系结构的一种相关技术，用于在处理器指令层次对JAVA加速。ARM的Jazelle技术使Java加速得到比基于软件的java虛拟机(JVM)高得多的性能，和同等的非java加速核相比功耗降低80%。

(3)Thumb

表示ARM处理器可以工作在Thumb状态，执行Thumb指令集。ARM指令集是32bit的指令集，在Thumb状态执行的指令集是16bit的。
Thumb指令集不是完整的指令集，它是ARM指令集的子集。 但是Thumb指令具有更高的代码密度，即占用存储空间小，仅为ARM代码规格的65%，但其性能却下降的很少。所以，Thumb指令集使ARM处理器能应用到有限的存储带宽，并且，代码密度要求很高的嵌入式系统中去。

Thumb-2 是 Thumb 指令集的一项主要增强功能，并且由 ARMv6T2 和 ARMv7M体系结构定义。Thumb-2 提供了几平与 ARM 指令集完全一样的功能。它兼有16 位和 32 位指令，并可检索与ARM 类似的性能，但其代码密度与 Thumb 代码类似。

(4)TrustZone

TrustZone是ARM针对消费电子设备设计的一种硬件架构，其目的是为消费电子产品构建一个安全
框架来抵御各种可能的攻击。

TrustZone在概念上将SoC的硬件和软件资源划分为安全(Secure World)和非安全(Normal World)两个世界，所有需要保密的操作在安全世界执行(如指纹识别、密码处理、数据加解密、安全认证等)，其余操作在非安全世界执行(如用户操作系统、各种应用程序等)。

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(5)SIMD

SIMD，即 single instruction multiple data，单指令流多数据流，也就是说一次运算指令可以执行多个数据流，从而提高程序的运算速度，实质是通过 数据并行来提高执行效率
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(6)NEON

ARMv7之后，将SIMD升级为 NEON技术 相当于扩展了点运算向量表 有一个VFS的二维向量表，将数据存放到这个表中，cpu可以一次性取某个区域进行执行，NEON就是SIMD的升级相当于将上面SIMD执行指令的表格长度与宽度进行扩展，提升了数据集的压缩算法。 NENO可以进行指令扩展来实现相关功能，但我们一般不使用，如果做一些GPU相关的工作就需要利用NENO的浮点运算特性。可用于加速多媒体和信号处理算法(如视频编码/解码)、2D/3D图形、游戏、音频和语音处理、图像处理技术、电话和声音合成，其性能至少为ARMv5的3倍，为ARMV6 SIMD性能的两倍在SIMD的基础上提升了两倍效率所以运算速度的加快不是单纯的提升CPU的频率通过这两个技术提升指令执行的方式，还有其他的方法(比如增加二级缓存)