ARM架构那些事之内核、SOC、指令集等

1、ARM与指令集与架构

ARM的全称为Advanced RISC Machines，直译为高级精简指令集处理器;RISC即为精简指令集，那么对应的就存在CISC，其为复杂指令集。

CISC指令集在计算机早期比较常用，CISC指令比较长，实现的功能比较多，这样对内存的访问相对比较少，但CPU设计相对复杂；而采用RICS常用指令流水线来提高指令利用效率。

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

我们需要明确的是ARM不生产芯片，它只是进行ARM架构的设计，并授权给相应的半导体厂家来生产芯片，所以大家通常称ARM为半导体知识产权（IP）提供商，与RISC-V这种完全开放架构不同，目前看来RISC-V完全开源且架构简单，给ARM带来了新的挑战。

ARM授权也是分不同层面的，包括架构层、内核层和应用层授权，不同层面所开放的具体内容不同，架构层可以直接修改成自己的处理器，而内核层也叫IP核层，主要是用于扩展自己的外设来形成自己的SOC等，而应用层权限就更少了。

2、ARM架构种类

内核与架构经常有一些朋友分不清，我们常说的ARMV1~ARMV9都是表示不同版本的架构，不同的架构，指令集也存在差异，然而根据不同的架构又开发出了不同CPU内核，比如Cortex-A，Cortex-M等。

目前主要是三种CPU架构系列：

• A 系列 （应用）

所有架构系列的最高性能

主要的Arm 处理器 IP 范围：Cortex-A、Neoverse ， Cortex-X

主要用于复杂的计算应用领域，例如PC、笔记本电脑、智能电视、服务器、联网设备、智能手机、车用信息娱乐系统、云存储设备和超级计算机。

• R 系列（ 实时）

针对具有实时需求的系统进行优化

主要的Arm 处理器 IP 范围：Cortex-R

需要实时响应需求的安全关键应用或需要决定性响应的应用，例如医疗设备、车辆驾驶、刹车与警示、网络和储存设备，以及嵌入式控制系统。

• M 系列 （微控制器）

专为小型、低功耗、高效节能装置而设计

主要的Arm 处理器 IP 范围：Cortex-M

能源效率、功耗及尺寸优先。安全性处理器、物联网以及像是穿戴式装置、小型感测器、通讯模块和智慧家庭产品等嵌入式装置，大部分单片机都是基于此架构来设计。

3、SOC

在芯片行业SoC与电池中的SOC不同，这里的全称为System-on-a-chip，也叫片上系统。SOC上不仅仅包括处理器核还包括一些访问总线，外设控制器、片内RAM等等。

这样看来，我们平时看到的单片机，比如stm32芯片；处理器芯片，比如i.MX 6ULL；或者是DSP，TMS320280049等等，都可以认识为SoC。

SOC片上系统的各部分都是通过总线进行通信连接，通常总线分为地址总线、数据总线和控制总线。在CPU和内部RAM之间可能存在多级高速缓存，这些缓存速度非常快，可以提高CPU访问数据的能力。

那一般内核里面有些什么呢？如下是CORTEX-M55的内核大致功能框架:

比如一些平时开发中提到的MPU内存保护单元、FPU浮点运算单元、DSP处理单元，JTAG调试单元等等，都位于内核上。

3、两大体系结构

分别是冯诺依曼体系结构和哈佛体系结构。

冯·诺依曼结构采用代码与数据的统一编址，存储器上的程序和数据加载到RAM中，然后CPU根据指令运行对应的程序。

哈佛结构是独立编址的，代码空间与数据空间分开：

所以大部分的单片机都采用的哈佛架构，当然现在也出现了非常多两者混合的形式。