ARM 之十五扫盲 ARM 架构、指令集、微架构、系统架构、ARM IP、授权方式

痛定思痛。 2022-09-11 15:09 322阅读 0赞

ARM 架构的 MCU 用了好多年，进一步对于 ARM 架构也或多或少的有了一些了解。之前都是遇到啥问题直接去官网找对应的手册，一直没有系统的总结一下。是时候总结一下，以便进行下一步学习了！

总的来说，整个 ARM 可以分为两大部分：**SoC 设计** 和 **ARM 平台软件开发**。

# ARM 文档 #

在了解 ARM 相关的各种概念之前，先来简单说一下 ARM 官方提供的文档的组织结构。其实，国外这些大公司对于文档的组织都是比较规范的，例如，ST 的 参考手册、数据手册、应用手册等等，ARM 文档也基本可以分为参考手册、用户指南。这么划分的目的就是为了让各部分更加独立。简单来说，参考手册仅介绍原理，用户指南介绍使用方法，两者相互独立。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAWkPCt1Nob3U_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]

*  **Arm Architecture Reference Manual** ：架构参考手册描述架构规范。是按照不同的架构版本分开的（如上图是 Armv8-A的架构参考手册），里面会详细介绍对应架构的细节。
 *  **Technical Reference Manual (TRM)** ：这个是针对 ARM IP 的参考手册。 描述特定于该 ARM IP 的特性。
 *  **Configuration and Integration Manual (CIM)** ：这个也是针对 ARM IP 的参考手册。描述如何将处理器集成到系统中。一般来说，这些信息只与 SoC 设计相关。***仅对被授予了 IP 许可的合作方开放。***

下表显示了在不同类型的文档中的内容：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAWkPCt1Nob3U_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 1]

> 上面说的文档都属于参考手册

ARM 的所有文档都放在专门为开发者提供了网站 [Arm developer website][] 上，除此之外，ARM 的[官方社区][Link 1]也是一个宝库，社区包含：[博客][Link 2]（ARM 的设计师经常在上面分享一些文章）、[论坛][Link 3]（里面有很多专业问题及设计师的解答）。

# 架构（Architecture） #

架构（Architecture）指的是一些列的功能规范。**ARM 架构** 指的就是是基于 ARM 架构的处理器的功能规范，即 **ARM CPU 架构**。架构指定了处理器的行为方式，例如它有什么指令以及指令做什么。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAWkPCt1Nob3U_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 2]  
可以将架构看作是硬件和软件之间的契约，描述了软件可以依赖硬件提供哪些功能。大体包含以下内容：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>条目</th> 
   <th>说明</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>指令集</td> 
   <td>每条指令的功能；指令如何在内存中表示(它的编码)</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>寄存器组</td> 
   <td>有多少寄存器；寄存器的大小；寄存器的功能；寄存器的初始状态</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>异常模型</td> 
   <td>不同的权限级别；异常的类型；从异常中获取或返回时会发生什么</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>内存模型</td> 
   <td>内存访问是如何排序的；缓存是如何运作的，什么时候以及软件必须如何执行显式维护</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>调试、跟踪和分析</td> 
   <td>如何设置和触发断点；跟踪工具可以捕获什么信息，以什么格式捕获</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

**ARM 架构** 可以认为就是个专有名词，是 ARM 制定的一些列功能规范的统称。至今已经有发展了很多版。最初的 ARMv1、ARMv2，后来的 ARMv6、ARMv8；最新的 ARMv9。

每一代 **ARM 架构** 都有一个专门的文档（架构参考手册）来介绍该架构的具体细节。需要注意的是，架构参考手册是根据 Profile 来分开的，并不是一个统一的文档。例如，《Armv8-M Architecture Reference Manual》、《Armv8-A Architecture Reference Manual》等等。

## 微架构（Micro-Architecture） ##

ARM 架构不会介绍处理器是如何构建的或它是如何工作的。 处理器的构建和设计称为微架构。 微架构介绍了特定处理器的工作方式。微架构就是对于 ARM 架构的进一步的实现

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAWkPCt1Nob3U_size_12_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]  
微架构包括以下内容：

*  管道长度和布局
 *  缓存的数量和大小
 *  单个指令的循环计数
 *  实现了哪些可选功能

一个 ARM 架构可以有多个不同的微架构以实现针对多种应用环境。例如，ARM 自己提供的各种 ARM 核就是一个个不同的微架构。

# 系统架构（System Architecture） #

除了上面说的 ARM 架构之外，ARM 对构成现代芯片上系统（SoC）的许多组件都有类似的规范。ARM 系统架构定义了相关组件和接口，使硬件和软件更容易进行互操作。系统架构的整体框图如下图所示：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAWkPCt1Nob3U_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 3]  
  规范是软件兼容性的基础。根据规范构建硬件意味着可以编写与之相匹配的软件。根据规范编写软件意味着它可以在兼容的硬件上运行。ARM 架构是基础，通过指令集架构（Instruction Set Architecture，ISA）兼容性提供了一个通用的程序员模型。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAWkPCt1Nob3U_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 4]  
  基本系统架构（The Base System Architecture，BSA）规范描述了系统软件可以依赖的硬件系统架构。BSA 涵盖了处理器和系统架构的各个方面，例如中断控制器、计时器和操作系统需要的其他常见设备。这为标准操作系统、管理程序和固件提供了可靠的平台。

基本引导需求（The Base Boot Requirements，BBR）规范涵盖了基于 Arm 架构的系统以及操作系统和管理程序可以依赖的系统需求。该规范建立了固件接口要求，如 PSCI、SMCCC、UEFI、ACPI 和 SMBIOS。

其他标准可以建立在 BSA 的基础上，以提供特定于市场的标准化。 例如，服务器基础系统架构 (SBSA) 是针对服务器的 BSA 的补充。 SBSA 描述了服务器操作系统的硬件和功能要求。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAWkPCt1Nob3U_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 5]

*  **Generic Interrupt Controller：** 通用中断控制器（GIC） 规范定义了 Armv7-A/R 和 Armv8-A/R 的标准化中断控制器。通用中断控制器（GIC）从外设接收中断，按优先级排列它们，并将它们交付给适当的处理器核心。  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAWkPCt1Nob3U_size_18_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]  
      目前，GIC 已经发展到了第四代。ARM 官方提供了 《ARM Generic Interrupt Controller Architecture version 2.0 - Architecture Specification》和《Arm Generic Interrupt Controller Architecture Specification GIC architecture version 3 and 4》这两个文档来介绍 GIC。
    
    > ***注意：M-Profile 使用的是 NVIC 中断控制器。***
 *  **System Memory Management Unit：** 系统内存管理单元（SMMU，有时也称为 IOMMU）为非处理器主机提供翻译服务。  
      目前，SMMU 已经发展到了第三代，ARM 官方提供了 《ARM System Memory Management Unit Architecture Specification - SMMU architecture version 2.0》和《Arm System Memory Management Unit Architecture Specification, SMMU architecture version 3》这两个文档来介绍 SMMU。
 *  **Generic Timer：** 通用定时器为系统中的所有处理器提供公共参考系统计数。 这些计时器提供用于诸如操作系统调度程序滴答之类的功能。 通用定时器是 Arm 架构的一部分，但系统计数器是一个系统组件。
 *  **Server Base System Architecture and Trusted Base System Architecture：** 服务器基础系统架构 (SBSA) 和可信基础系统架构 (TBSA) 为 SoC 开发人员提供系统设计指南。
 *  **Advanced Microcontroller Bus Architecture：** 高级微控制器总线架构 (AMBA) 总线协议系列控制基于 Arm 的系统中组件的连接方式以及这些连接上的协议。
 *  **CoreSight Architecture：** CoreSight 架构为实时调试和收集跟踪信息提供了系统范围的解决方案。

# 指令集架构 #

指令集架构（Instruction Set Architecture，ISA）是计算机抽象模型的一部分。它定义了软件如何控制 CPU。Arm ISA 允许开发人员编写符合 Arm 规范的软件和固件，以此实现在任何基于 Arm 的处理器上都可以以同样的方式执行它们。ARM 指令集架构有三种：

*  **A64：** A64 指令集是在 Armv8-A 中引入的，以支持 64 位架构。A64 指令集有固定的 32 位指令长度。主要的特性有：
    
     *  Clean decode table based on 5-bit register specifiers.
     *  Instruction semantics broadly similar to A32 and T32.
     *  31 general-purpose 64-bit registers accessible at all times.
     *  No modal banking of general purpose registers for improved performance and energy.
     *  Program counter and stack pointer are not general purpose registers.
     *  Dedicated zero register available for most instructions.
 *  **A32：** A32 指令集有固定的 32 位指令长度，并在 4 字节边界上对齐。**A32 指令集就是在 Armv6 和 Armv7 架构中我们常说的 ARM 指令集，Armv8 及之后改名 A32 以与 A64 进行区分。** 随着 Thumb-2 技术的引入，它的大部分功能都被纳入了 T32 中。  
      A32 指令主要被用于 A-profile 和 R-profile。
 *  **T32：** T32 指令集最初是作为 16 位指令的补充集引入的，用于改进的用户代码的代码密度。随着时间的推移，T32 演变成 16 位和 32 位混合长度的指令集。因此，编译器可以在单个指令集中平衡性能和代码大小。  
      **T32 指令集就是在在 Armv6 和 Armv7 架构中被我们所熟知的 Thumb 指令集，Armv8 及之后改名为 T32。** T32 支持所有架构的 Profile，并且是 M-Profile 架构所支持的唯一指令集。

> 指令集是架构参数手册中一个重要的章节，详细的介绍可以在对应版本的架构参考手册中找到。

以上这三种指令集被称为 ARM 基础指令集（ARM Base ISAs），除此之外，ARM 还提供指令集扩展：自定义指令、DSP、浮点等等。其中以我用的最多的浮点来简单说明一下。

## ARM 浮点处理 ##

最近项目中用到了大量的浮点运算，且要求的时间精度较高，但是在使用过程中发现，总是会超过时间限制。最终经过测试发现，程序中的浮点运算 `sqrt` 占用了大量时间，单个执行 `sqrt` 需要 30多个微妙。

我实际用的是基于 Cortex-m4f 核的 MCU，主频 128M，感觉单个执行 `sqrt` 需要时间有些过长于是开始在 ARM 官网找资料，结合 CMSIS 的代码，开始一步一步定位问题：

1.  首先，根据 ARM 手册， Cortex-m4f 内核集成了浮点运算单元（FPU）和 DSP，实现单精度浮点算术运算，支持所有 ARM 单精度数据处理指令和数据类型，支持完整 DSP 指令集。
2.  检查 CMSIS 代码中的相关配置也没有问题  
    ![在这里插入图片描述][f19790b8bffe4408bc2ea0749e0f8a43.png]
3.  接着查看 CMSIS 提供的专用 DSP 驱动库，在众多接口中偶然发现 `arm_sqrt_f32` 这个接口，其位于 CMSIS 的 `arm_math.h` 中，具体定义如下：
    
        /** * @brief Floating-point square root function. * @param[in] in input value. * @param[out] *pOut square root of input value. * @return The function returns ARM_MATH_SUCCESS if input value is positive value or ARM_MATH_ARGUMENT_ERROR if * <code>in</code> is negative value and returns zero output for negative values. */
        
         static __INLINE arm_status arm_sqrt_f32(
         float32_t in,
         float32_t * pOut)
         { 
           if(in >= 0.0f)
           { 
        
         // #if __FPU_USED
         #if (__FPU_USED == 1) && defined ( __CC_ARM )
               *pOut = __sqrtf(in);
         #else
             *pOut = sqrtf(in);
         #endif
         
               return (ARM_MATH_SUCCESS);
           }
           else
           { 
             *pOut = 0.0f;
             return (ARM_MATH_ARGUMENT_ERROR);
           }
         }

从上面的定义不难看出，我们需要使用 ARM 顶一个的各种浮点运算接口才可以正常使用 浮点运算单元。

总结一下在使用浮点运算是需要注意一下几点：

1.  Cortex-M4 中集成的浮点运算单元是单精度浮点运算单元。因此，所有的浮点数运算最好都使用 `float` 类型，常数一定加上 f 后缀。（部分 Cortex-M7 集成了 双精度浮点运算单元）
2.  使用 `arm_math.h` 及 DSP 库中定义的相关浮点数运算接口。例如，C 语言的 `sqrt` 可以使用 `arm_sqrt_f32` 代替，三角函数 `sin` 可以使用 `arm_sin` 代替等等。注意，使用 `arm_math.h` 及 DSP 库中相关接口时需要配置一些宏值。

# ARM IP #

ARM 不仅仅制定规范，还会在规范的基础上进一步设计，这些设计被称为 IP（Intellectual Property，知识产权）。ARM IP 有很多种：Processors（也就是我们平时说 ARM 核）、Graphics and Multimedia、System IP、Physical IP、Security IP、Subsystem。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAWkPCt1Nob3U_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 6]

## Processors ##

Processors 即 ARM 核，也即 ARM CPU。就是一些可重复利用的、具有特定功能的集成电路模块。下图显示了 ARM 架构以及 ARM 核对应的关系：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAWkPCt1Nob3U_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 7]  
从上如图中我们可以不难看出如下几点：

1.  ARM 架构版本很多，但是并不是每个 ARM 架构都有实际的实现。甚至于 ARM 自己也没有实现部分版本的架构
2.  有部分第三方公司也基于 ARM 架构设计了自己的核心，例如苹果公司。这是由于 苹果公司具有 ARM 架构的授权。

ARM 为自己设计的核起了一个统一的品牌名字：**Arm Cortex**，同时针对不同的应用场景，分为了 Application Processors（应用处理器）Arm Cortex-A、Real-time Processors （实时处理器）Arm Cortex-R、Microcontroller Processors（微控制器处理器）Arm Cortex-M 三种不同的 Profile 。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAWkPCt1Nob3U_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 8]  
除了以上我们比较常见的 ARM 核，ARM 还设计了其他一些处理器  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAWkPCt1Nob3U_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 9]

## System IP ##

Arm System IP 使系统设计人员能够配置和构建高性能、高能效的 SoC，同时通过行业标准 AMBA 接口将 Arm 处理器与他们自己的 IP 元素相结合，从而进一步区分。

> AMBA（高级微控制器总线架构）是一种免费提供的开放标准，用于连接和管理片上系统 (SoC) 中的功能模块。 它有助于多处理器设计的一次性开发，具有大量控制器和外设。

## Physical IP ##

Arm Artisan Physical IP 提供业界最全面、最先进的物理IP解决方案。使用 Arm ArtisanPhysical IP 可以有效地实现复杂的 SoC 设计。

## Graphics and Multimedia Processors ##

*  Arm Mali GPU IP  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAWkPCt1Nob3U_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 10]
 *  Mali Camera Image Signal Processors (ISPs)  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAWkPCt1Nob3U_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 11]

# 授权方式 #

从很多资料中，我们都能找到这样一句话 “ARM 本身并不制造和销售芯片，而是将设计授权给其他公司”。在多年发展中，ARM 逐渐形成了多种授权方式（等级），不同的授权方式，被授权方的权限不同。

ARM 主要有三种授权等级：使用层级授权、 内核层级授权和架构/指令集层级授权，其中指令集层级授权等级最高，企业可以对 ARM 指令集进行改造以实现自行设计处理器，如苹果在 ARM v7-A 架构基础上开发出苹果 Swift 架构，其他如高通 Krait、Marvell 等都是基于 ARM 指令集或微架构进行的改造所得。

## Arm core licensees ##

前面我们介绍了 ARM 本身设计了很多 ARM 核，Core licensees 就是把这些核授权给购买者，购买者可以使用这些核来构建自己的 MCU、SoC。

## Arm architectural licensees ##

牛逼的公司还可以购买 ARM 架构许可，使用 ARM 指令集设计自己的 CPU 核。这些核心必须完全符合 ARM 架构。其中，最为人所致的就是苹果公司。2013 年，Arm 表示大约有15 家公司被授予架构许可。

## Built on ARM Cortex Technology licence ##

2016 年 2 月，ARM 宣布了 Built on ARM Cortex Technology 许可证，通常简称为 Built on Cortex (BoC) 许可证。该许可证允许授权公司与 ARM 合作，并对 ARM Cortex 的设计进行修改。这些设计修改不会与其他公司共享。其中比较为人所知的就是高通。

## ARM Flexible Access ##

2019 年 7 月16 日，ARM 宣布了 ARM Flexible Access。ARM Flexible Access 为开发提供了对包括 ARM IP 的无限访问。

## 其他 ##

除了上面说的这些，ARM 自己设计的其他 IP 也有对应的授权方式。例如，Mali licensees 授权给第三方使用 ARM 设计的 GPU。

# 参考 #

1.  https://developer.arm.com/
2.  https://en.wikipedia.org/wiki/ARM\_architecture

[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAWkPCt1Nob3U_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]: /images/20220828/139183bd9b214020aa21d21b8c276d9d.png
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAWkPCt1Nob3U_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 1]: /images/20220828/a603ea4491f843459e6e0c263c510239.png
[Arm developer website]: https://developer.arm.com/
[Link 1]: https://community.arm.com/
[Link 2]: https://community.arm.com/p/arm-blog
[Link 3]: https://community.arm.com/developer/f
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAWkPCt1Nob3U_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 2]: /images/20220828/606aed2117c34e88b2c294871be4a71d.png
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[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAWkPCt1Nob3U_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 4]: /images/20220828/602653a1a2cd4abe9906994fe4a88c16.png
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAWkPCt1Nob3U_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 5]: /images/20220828/38381fe9c0bd40a6bd1dc0f40f65775d.png
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAWkPCt1Nob3U_size_18_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]: /images/20220828/f20463ce951e46fcbfceaa538416e301.png
[f19790b8bffe4408bc2ea0749e0f8a43.png]: /images/20220828/19c087cf91e348b6b49338f26bbe7442.png
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[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAWkPCt1Nob3U_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 7]: /images/20220828/15cd3b4c92c7474c89c0acf3a577d198.png
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAWkPCt1Nob3U_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 8]: /images/20220828/84f1d72a8bd7475d8079a1186d2b986d.png
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAWkPCt1Nob3U_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 9]: /images/20220828/5403547c35b24cbaa000e3f07060be8a.png
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