2019年12月26日 | ARM命名规则

ARM==Advanced RISC Machines

    它开创了一种崭新的商业模式，实现了无厂房式工厂，依靠出售芯片技术知识产权的授权来盈利。

    其次，ARM是一种architecture，同MIPS、PowerPC、X86等并列。谈到架构，这实际上本身就是一个很复杂的概念。就现在的理解来看，架构是一种系统设计蓝图，规划了方方面面的技术规范。应该说，架构是理论，那么采用同样的架构，实现的形式可以不相同。这也就是为什么同一架构会有那么多衍生的处理器实现。

    ARM可以看作是一种技术，是RISC的代表。 应该说，ARM公司位于产业链的最上层，盈利也最多。中国国内的一些OEM厂商，只是处于下游的小鱼，盈利有限。中国的信息产业要想发展，就必须有自己的核心技术。写到这里，希望龙芯带给我们的，是梦想的接近，甚至是实现！（龙芯是兼容MIPS架构）

二、命名规则

这里提到的命名规则，应该分成两类。
一类是基于ARM Architecture的版本命名规则；
另一类是基于ARM Architecture版本的处理器系列命名规则。

Naming of ARM Architecture versions
| ARMv | n | variants | x（variants） | 
分成四个组成部分：
    ARMv -- 固定字符，即ARM Version
    n -- 指令集版本号。迄今为之，ARM架构版本发布了7个系列，所以n=[1:7]。其中最新的版本是第7版，具体看ARM官方网站。
    variants -- 变种。
    x（variants） -- 排除x后指定的变种
常见的变种有：
    T -- Thumb指令集
    M -- 长乘法指令
    E -- 增强型DSP指令
    J -- Java加速器Jazelle
    SIMD -- ARM媒体功能扩展

例如，ARMv5TxM表示ARM指令集版本为5，支持T变种，不支持M变种。

Naming of ARM Processor
    采用上述的架构，形成一系列的处理器。有时候还要区分处理器核和处理器系列。不过，在这里其实不用区分太细，毕竟这是功能的小部分的变化，核心是相同的。
    规则：ARM{x}{y}{z}{T}{D}{M}{I}{E}{J}{F}{-S}
    x -- 处理器系列
    y -- 存储管理/保护单元
    z -- cache
    T -- 支持Thumb指令集
    D -- 支持片上调试
    M -- 支持快速乘法器
    I -- 支持Embedded ICE，支持嵌入式跟踪调试
    E -- 支持增强型DSP指令
    J -- 支持Jazelle
    F -- 具备向量浮点单元VFP
    -S -- 可综合版本

ARM体系结构处理器自诞生以来，不断发展与创新，ARM体系的指令集功能形成了多种版本，为了适合不同的应用场合，各个版本又增加了新的变种，这些变种为该版本的指令集增加了新的功能。不同版本的指令集应用于不同的处理器，这也就形成了ARM处理器系列，ARM系列处理器不同版本实现技术、性能、应用场合个不相同。

ARM体系结构的基本版本
1 版本1
    该版本的原型机是ARM1，没有用于商业产品。 包括下列指令：
除乘法指令之外的基本的数据处理指令。
基于字节、字和多字的存储器访问指令（Load/Store）。
包括子程序调用指令BL在内的跳转指令。
供操作系统使用的软件中断指令SWI。
本版本中地址空间是26位，目前已经不再使用。

2 版本2
    对V1版进行了扩展，包含了对32位结果的乘法指令和协处理器指令的支持。
版本2a是版本2的变种，ARM3芯片采用了版本2a，是第一片采用片上Cache的ARM处理器。版本2a增加了合并Load和Store（SWP）指令。
与版本V1相比，增加了以下指令：
乘法指令和乘加指令。
支持协处理器操作指令。
对于FIQ模式，提供了额外的两个备份寄存器。
SWP指令和SWPB指令。
本版本中地址空间是26位，目前已经不再使用。

3 版本3
    ARM公司第一个微处理器ARM6核心是版本3的，它作为IP核、独立的处理器、具有片上高速缓存、MMU和写缓冲的集成CPU。 

版本3的变种版本有版本3G和版本3M。版本3G是不与版本2a向前兼容的版本3，版本3M引入了有符号和无符号数乘法和乘加指令，这些指令产生全部64位结果。 

版本3版较以前的版本有较大的改动，主要包括：
处理器的地址空间扩展到32位，但除了版本3G外的其他版本是向前兼容的，支持26位的地址空间。
当前程序状态信息从原来的R15寄存器移到当前程序状态寄存器CPSR中（Current Program Status Register）。
增加了程序状态保存寄存器SPSR（Saved Program Status Register）。
增加了两种异常模式，使操作系统代码可方便地使用数据访问中止异常、指令预取中止异常和未定义指令异常。
增加了MRS/MSR指令，用于访问新增的CPSR/SPSR寄存器。
修改了原来的从异常中返回的指令。

4 版本4
版本4增加了下列指令：
有符号和无符号的半字读取和写入指令。
带符号的字节读取和写入指令。
增加了处理器的系统模式（特权模式）。在该模式下，使用的是用户模式下的寄存器。
为结构定义的操作预留一些SWI（软中断指令）空间。

版本4中明确定义了哪些指令会引起未定义指令异常，不再强制要求与以前的26位地址空间兼容。

ARMv4T在ARMv4的基础上增加了Thumb指令集：处理器有了Thumb状态，并且有了在ARM状态和Thumb状态切换的指令，处理器在ARM状态执行ARM指令集，在Thumb状态执行Thumb指令集。

ARMv4和ARMv4T结构的处理器得到了广泛的应用。SA-110、SA-1110等是基于ARMv4的；ARM7TDMI、ARM720T、ARM9TDMI、ARM940T、ARM920T、Intel的StrongARM等是基于ARMv4T版本。

5 版本5
版本5在版本4的基础上增加或修改以下指令：
提高了T变种中ARM/Thumb混合使用的效率。
对于T变种的指令和非T变种的指令使用相同的代码生成技术。
增加了前导零计数（CLZ）指令，该指令可以使整数除法和中断优先级排队操作更为有效。
增加了软件断点（BKPT）指令。
为协处理器设计提供了更多可选择的指令。
更加严格的定义了乘法指令对条件标志位的影响。
带状态切换的子程序调用（BLX）指令。

版本5包括v5TE和v5TEJ，v5TE在v5T的基础上增加了信号处理（DSP）指令集，v5TEJ除了具备v5T的功能外，还可以执行JAVA字节代码，是在ARM上执行JAVA指令的效率提高了5-10倍，并且降低了功耗。

ARM1020T 是ARMv5T的。
ARM9E-S、ARM966E-S、ARM1020E、ARM 1022E以及XScale是ARMv5TE的。
ARM9EJ-S、ARM926EJ-S、ARM7EJ-S、ARM1026EJ-S是基于ARMv5EJ的。

6 版本6
    ARM体系版本6是2001年发布的。其目标是在有效的芯片面积上为嵌入式系统提供更高的性能。ARMv6 包含了ARMv5TEJ的所有指令。为了使现有的软件，开发方法、设计技术可再利用，ARMv6兼容了ARMv5的内存管理和异常处理。ARMv6主要在多媒体处理、存储器管理、多处理器支持、数据处理、异常和中断响应等方面做了改进。

SIMD（单指令多数据）指令，可使音视频处理能力提高2-4倍。
Thumb-2新指令集，混合执行AMR和Thumb代码，可以提供ARM指令级别的性能和Thumb指令级别的代码密度。
混合大小端和非对齐存储访问支持
TrustZone安全技术，在硬件上提供可信区域和不可信区域，两个区域里运行的代码有不同的权限。让经过认证的代码运行在可信区域，未经过认证的代码运行在不可信区域，从而提高系统的安全性。

采用ARMv6核的处理器是ARM11系列。
ARM1136J(F)-S基于ARMv6主要特性有SIMD、Thumb、Jazelle、DBX、(VFP)、MMU。
ARM1156T2(F)-S基于ARMv6T2 主要特性有SIMD、Thumb-2、(VFP)、MPU。
ARM1176JZ(F)-S基于ARMv6KZ 在 ARM1136EJ(F)-S 基础上增加MMU、TrustZone。
ARM11 MPCore基于ARMv6K 在ARM1136EJ(F)-S基础上可以包括1-4 核SMP、MMU。

7 版本7
2004年发布了新的ARMv7体系结构。全新的ARMv7是基于ARMv6的，ARMv7采用了Thumb-2技术，体积比32位ARM代码减小31%，性能比16位Thumb代码高出38%。同时，ARMv7保持了对已有ARM代码的兼容性。此外，ARMv7还支持改良的运行环境，以迎合不断增加的JIT（Just In Time）和DAC（DynamicAdaptive Compilation）技术的使用。

ARMv7的增加的特性有：
改进的Thumb-2指令集。
NEON多媒体技术，将DSP和多媒体处理能力提高了近4倍。
VFPv3改良的浮点运算。
动态编译支持。
ARM体系结构的变种

1 Thumb指令集（T变种）
Thumb指令集是将ARM指令集中的一部分指令重新编码形成的一个子集, Thumb指令长度是16位的。使用Thumb指令可以得到比ARM指令更高的代码密度，这有助于减小系统的存储器容量，从而降低系统的成本。另外，对于数据线是8或16位的系统，使用Thumb指令集可以取得好于使用ARM指令集的性能。在ARM体系命名中通用“T”来表示该版本支持Thumb指令集。在ARMv4T中使用v1版Thumb指令集；ARMv5T使用v2版的Thumb指令集。和Thumb v1相比Thumb v2 具有如下特点：

通过对指令的修改，来提高ARM指令和Thumb指令混合使用是的效率。
增加软件断点指令。
严格定义了Thumb乘法指令对条件标志位的影响。

与ARM指令集相比，Thumb指令集具有以下局限性：
完成相同的操作，Thumb指令通常需要更多的指令。
humb指令集没有包含进行异常处理时需要的一些指令，异常返回时需要从ARM状态返回。    

2 长乘法指令（M变种）
M变种增加了两条用于进行长乘法的ARM指令。其中一条用于实现32位整数乘以32位整数，生成64位整数的长乘法操作；另一条指令用于实现32位整数乘以32位位整数，然后加上32位整数，生成64位整数的长乘加操作。

3 增强型DSP指令（E变种）
E变种包含了一些附加的指令，这些指令用于增强处理器对一些典型的DSP算法的处理性能。主要包括：
几条新的实现16位数据乘法和乘加操作的指令
实现饱和的带符号数的加减法操作的指令。所谓饱和的带符号数的加减法操作是在加减法操作溢出时，结果并不进行卷绕（Wrapping around），而是使用最大的整数或最小的负数来表示。

进行双字数据操作的指令，包括双字读取指令LDRD、双字写入指令STRD和协处理器的寄存器传输指令MCRR/MRRC。
Cache预取指令PLD

4 Java加速器Jazelle（J变种）
ARM的Jazelle技术将Java的优势和先进的32位RISC芯片完美地结合在一起。Jazelle技术提供了Java加速功能，可以得到比普通Java虚拟机高得多的性能。与普通的Java虚拟机相比，Jazelle使代码运行速度提高了8倍，而且功耗降低了80%,Jazelle技术使得程序员可以在一个单独的处理器上同时运行Java应用程序、已经建立好的操作系统、中间件以及其他的应用程序。与使用协处理器和双处理器相比，使用单独得处理器可以在提供高性能的同时，保证低功耗和低成本。ARM体系版本4TEJ最早包含了J变种，用字符J表示J变种。

5 SIMD变种（ARM媒体功能扩展）
　　ARM媒体功能扩展SIMD技术极大地提高了嵌入式应用系统的音频和视频处理器能力，它可使微处理器的音频和视频性能提高4倍。新一代的Internet应用产品、移动电话和PDA等设备终端需要提供高性能的流式媒体，包括音频和视频等。而且这些设备需要提供更加人性化的界面，包括语言输入和手写输入等。这样，就对处理器的数字信号处理能力提出了很高的要求，同时还必须保证低功耗。ARM的SIMD媒体功能扩展为这些应用系统提供了解决方案，它为包括音频和视频处理在内的应用系统提供了优化功能，其主要特点如下：

●使处理器的音频和视频处理的性能提高了2～4倍。
●可同时进行2个16位操作数或者4个8位操作数的运算。
●用户可自定义饱和运算的模式。
●可进行2个16位操作数的乘加/乘减运算及32位乘以32位的小数乘加运算。

●同时8 /16位选择操作。

    ARM11是基于ARMv6架构建成的。基于ARMv6架构的处理器包括ARM1136J(F)‐S，ARM1156T2(F)‐S，以及ARM1176JZ(F)‐S。ARMv6是ARM进化史上的一个重要里程碑：从那时候起，许多突破性的新技术被引进，存储器系统加入了很多的崭新的特性，单指令流多数据流（SIMD）指令也是从v6开始首次引入的。而最前卫的新技术，就是经过优化的Thumb‐2指令集，它专为低成本的单片机及汽车组件市场。

基于从ARMv6开始的新设计理念，ARM进一步扩展了它的CPU设计，成果就是ARMv7架构的闪亮登场。在这个版本中，内核架构首次从单一款式变成3种款式。
1）款式A：设计用于高性能的"开放应用平台"--越来越接近电脑了。
2）款式R：用于高端的嵌入式系统，尤其是那些带有实时要求的--又要快又要实时。
3）款式M：用于深度嵌入的，单片机风格的系统中--本书的主角。

让我们再进距离地考察这3种款式：
1）款式A（ARMv7‐A）：需要运行复杂应用程序的"应用处理器"。支持大型嵌入式操作系统，比如Symbian，Linux，以及微软的WindowsCE和智能手机操作系统WindowsMobile。这些应用需要劲爆的处理性能，并且需要硬件MMU实现的完整而强大的虚拟内存机制，还基本上会配有Java支持，有时还要求一个安全程序执行环境。典型的产品包括高端手机和手持仪器，电子钱包以及金融事务处理机。
2）款式R（ARMv7‐R）：硬实时且高性能的处理器。标的是高端实时市场。那些高级的玩意，像高档轿车的组件，大型发电机控制器，机器手臂控制器等，它们使用的处理器不但要很好很强大，还要极其可靠，对事件的反应也要极其敏捷。
3）款式M（ARMv7‐M）：认准了旧世代单片机的应用而量身定制。在这些应用中，尤其是对于实时控制系统，低成本、低功耗、极速中断反应以及高处理效率，都是至关重要的。
Cortex系列是v7架构的第一次亮相，其中Cortex‐M3就是按款式M设计的。

到目前为止，Cortex‐M3也是款式M中被抚养成人的独苗。其它Cortex家族的处理器包括款式A的Cortex‐A8（应用处理器），款式R的Cortex‐R4（实时处理器）。

处理器命名法
    以前，ARM使用一种基于数字的命名法。在早期（1990s），还在数字后面添加字母后缀，用来进一步明细该处理器支持的特性。就拿ARM7TDMI来说，T代表Thumb指令集，D是说支持JTAG调试(Debugging)，M意指快速乘法器，I则对应一个嵌入式ICE模块。后来，这4项基本功能成了任何新产品的标配，于是就不再使用这4个后缀--相当于默许了。但是新的后缀不断加入，包括定义存储器接口的，定义高速缓存的，以及定义"紧耦合存储器（TCM）"的，于是形成了新一套命名法，这套命名法也是一直在使用的。 

表一：ARM处理器名字 
Jazelle是ARM处理器的硬件Java加速器。
MMU，存储器管理单元，用于实现虚拟内存和内存的分区保护，这是应用处理器与嵌入式处理器的分水岭。电脑和数码产品所使用的处理器几乎清一色地都带MMU。但是MMU也引入了不确定性，这有时是嵌入式领域--尤其是实时系统不可接受的。然而对于安全关键（safety‐critical）的嵌入式系统，还是不能没有内存的分区保护的。为解决矛盾，于是就有了MPU。可以把MPU认为是MMU的功能子集，它只支持分区保护，不支持具有"定位决定性"的虚拟内存机制。

到了架构7时代，ARM改革了一度使用的，冗长的、需要"解码"的数字命名法，转到另一种看起来比较整齐的命名法。比如，ARMv7的三个款式都以Cortex作为主名。这不仅更加澄清并且"精装"了所使用的ARM架构，也避免了新手对架构号和系列号的混淆。