1.2 Arm架构及分类

术语“架构”（Architecture）指的是功能规范，在Arm架构下，指的是处理器的功能规范。体系架构指定处理器的行为方式，如处理器的指令和指令的作用。我们可以将架构看作软件和硬件之间的“契约”，该架构描述了软件可以依赖硬件提供的功能。有些特性是可选的，这将在后面的微结构中进行说明。

Arm CPU架构使用先进的微架构技术以支持广泛的性能点，包括Arm处理器的小型实现和高级设计的高效实现。它指定了如下内容。

（1）指令集：每条指令的功能，以及该指令在存储器中的表示方法（其编码）。

（2）寄存器集：寄存器的数量、大小、功能，以及它们的初始状态。

（3）异常模型：不同特权级、异常类型，以及采纳异常和从异常返回时发生的事情。

（4）存储器模型：存储器访问的顺序，以及当软件必须执行准确维护操作时的缓存行为。

（5）调试、跟踪和统计：如何设置和触发断点，以及跟踪工具可以捕获的信息和采用的方式。

Arm CPU架构最初基于精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computer，RISC）原理并包括以下各项。

（1）统一寄存器文件，其中的指令不限于对特定寄存器执行操作。

（2）一种加载/保存架构，其中的数据处理仅在寄存器内容上进行，而不是直接在存储器内容上进行。

（3）简单的寻址模式，其中所有的加载/保存地址仅由寄存器内容和指令字段确定。

随着时间的推移，Arm CPU架构不断发展，其新功能可满足新兴市场的需求，并可改善CPU的功能、安全性和性能。

最新的M-Profile架构是Armv8.1-M，是当前Armv8-M架构的扩展。它带来了许多新的功能，包括用于信号处理应用的通用矢量扩展，称为M-Profile矢量扩展（M-Profile Vector Extension，MVE）。在Arm Cortex-M处理器中，MVE被命名为Helium。除MVE之外，还有许多其他架构增强功能。

Arm公司提供了3种架构概要（Profile）：A-Profile、R-Profile和M-Profile。

（1）A-Profile（应用）：用于复杂的计算应用领域，如服务器、移动电话和汽车主机。

（2）R-Profile（实时）：用于需要实时响应的地方。例如，安全关键应用或需要确定性响应的应用，如医疗设备或车辆转向、制动和信号。

（3）M-Profile（微控制器）：用于能效、功耗和尺寸很重要的地方。M-Profile特别适用于深度嵌入式芯片。最近，简单的物联网（Internet of Things，IoT）设备已经成为M-Profile CPU的关键应用，如应用在小型传感器、通信模块和智能家居产品中。

Arm架构由内建的调试和可视化工具给予支持。

不同架构的概要和版本号写作Armv8-A、Armv7-R、Armv6-M。其中，A、R和M表示相关的架构框架（概要），6、7和8表示架构的不同版本。Arm IP具有单独的产品编号。

1.2.1 M-Profile

Arm公司生产了一整套处理器，它们提供共享通用指令集和程序员模型，并具有某种程度的向后兼容性。M-Profile为深度嵌入式系统提供低延迟和高确定性操作。

1.Armv8.1-M

Armv8.1-M架构将Armv8-M架构带到了新的性能水平，且不影响软件开发的简易性和Arm第三方生态系统的丰富性。新架构包括MVE，可使机器学习和信号处理性能水平显著提升。它实现了简化的程序员Cortex-M处理器模型，为数百万名设计人员带来了先进的计算能力。在Arm Cortex-M处理器中，MVE被命名为Arm Helium技术。该架构还通过Arm TrustZone增强了系统范围的安全性。

Armv8.1-M架构包括以下功能。

（1）提供了一种有效的矢量处理功能，可加速信号处理和机器学习算法，称为MVE。

（2）在矢量扩展中支持其他数据类型，如半精度浮点数（FP16）和8位整数（INT8）。

（3）低开销循环。

（4）聚集加载，分散保存存储器访问。

Arm8.1-M有以下几个可选的新架构扩展。

（1）Helium-MVE用于未来的Arm Cortex-M处理器。

（2）低开销分支扩展。

（3）用于MPU的特权从不执行（Privileged Execute Never，PXN）扩展。

（4）可靠性、可用性和可服务性（Reliability，Availability and Serviceability，RAS）扩展。

（5）用于调试特性的额外扩展。

2.Armv8-M

Armv8-M架构针对深度嵌入式系统进行了优化。它实现了程序员模型，专为低延迟处理设计。基于受保护存储器系统架构（Protected Memory System Architecture，PMSA），它可以实现存储器保护单元（Memory Protection Unit，MPU）（可选）。它支持T32指令集的“变种”。

Armv8-M架构包含以下功能。

（1）新系统级程序员模型。

（2）基于PMSAv8，允许一个可选的MPU。

（3）仅支持T32指令集的子集。

（4）各种框架扩展，以实现设计的高度灵活性和可扩展性。

Armv8-M有以下几个可选的架构扩展。

（1）主扩展。这提供了与Armv7-M的向后兼容性，并且是浮点和DSP扩展所需的。

（2）安全扩展。这也可以成为Armv8-M的Arm TrustZone。

（3）浮点扩展。这要求实现主扩展。

（4）调试扩展。

（5）数字信号处理扩展。这需要实现主扩展。

3.Armv7-M

Armv7-M架构为简单的流水线设计提供了机会，可在广泛的市场和应用中提供系统性能水平。它提供低周期数执行最低的中断延迟和无缓存操作，专为深度嵌入式系统设计。它支持T32指令集的“变种”，专为整体规模和确定性操作比绝对性能更重要的实现设计。

Armv7-M有以下两个可选的架构扩展。

（1）数字信号处理扩展。

（2）浮点扩展。

4.Armv6-M

Armv6-M架构是Armv7-M架构的子集，提供以下功能。

（1）Armv7-M程序员模型的轻量级版本。

（2）调试扩展，包含用于调试支持的架构扩展。

（3）支持T32指令集。

（4）向上兼容Armv7-M。为Armv6-M开发的应用级和系统级软件可以在Armv7-M上不进行任何修改地执行。

Armv6-M有以下两个可选的架构扩展。

（1）非特权/特权扩展。这允许Armv6-M系统使用与Armv7-M相同的权限级别。

（2）PMSA扩展。这需要实现非特权/特权扩展。

M-Profile与CPU的对应关系如表1.1所示。

1.2.2 R-Profile

R-Profile为安全关键环境提供了高性能处理器。

1.Armv8-R

Armv8-R架构是针对实时框架的最新Arm CPU架构。它引入了最高安全级别的虚拟化，同时保留了基于MPU的PMSA。它支持A32和T32指令集。

Armv8-R架构引入了很多功能，允许为安全关键环境设计和实现高性能处理器。它的功能如下。

（1）没有重叠的存储区域。

（2）有与Armv8-A模型兼容的新异常模式。

（3）支持客户操作系统的虚拟化。

（4）支持双精度浮点数和高级单指令多数据流（Single Instruction Multiple Data，SIMD）（可选）。

2.Armv7-R

Armv7-R架构实现了具有多种模式的传统Arm CPU架构，并支持基于MPU的PMSA。它支持Arm（32位）和Thumb（16位）指令集。

该架构支持以下多种扩展。

（1）多处理扩展。这是一组可选扩展，提供了一组增强多处理功能的特性。

（2）通用定时器扩展。这是一个可选扩展，为架构提供系统定时器和低延迟寄存器接口。

（3）性能监视器扩展。该扩展定义了推荐的性能监视器实现，并为性能监视器保留了寄存器空间。

R-Profile与CPU的对应关系如表1.2所示。

1.2.3 A-Profile

A-Profile瞄准移动和企业等高性能市场。

1.Armv8-A

Armv8-A架构是针对A-Profile的最新一代Arm CPU架构。它引入了使用64位和32位执行状态的能力，分别称为AArch64和AArch32。AArch64执行状态支持A64指令集，保存64位寄存器中的地址，并允许基本指令集中的指令使用64位寄存器进行处理。AArch32执行状态保留了与Armv7-A架构的向后兼容性，并增强了Armv7-A架构，因此AArch32执行状态可以支持AArch64执行状态中包含的某些功能，支持T32和A32指令集。

Armv8-A是唯一支持AArch64执行状态的配置文件，其中，AArch64和AArch32之间的关系称为进程间处理。此外，Armv8-A架构还允许不同级别的AArch64和AArch32。例如：

（1）AArch64只设计。

（2）AArch64设计也支持AArch32操作系统/虚拟机。

（3）AArch64仅支持（非特权）应用程序级别的AArch32。

Armv8-A架构引入了大量的变化，使得它能够实现更高性能的处理器，这些变化如下。

（1）大物理地址。这使得处理器能够访问容量超过4GB的物理存储器。

（2）64位虚拟寻址。这使得虚拟存储器容量超过4GB的限制，对于使用存储器映射文件I/O或稀疏寻址的现代桌面和服务器软件非常重要。

（3）自动事件信令。这使得它能实现高效的和高性能的自旋锁。

（4）更大的寄存器文件。它有31个64位通用寄存器，提升了性能并减少了堆栈的使用。

（5）高效的64位立即生成。这使得它对文字池的需求较少。

（6）大的PC相对寻址范围。±4GB寻址范围，用于在共享库和与位置无关的可执行文件中进行高效的数据寻址。

（7）额外的16KB和64KB转换颗粒。这降低了转换旁视缓冲区（Translation Lookaside Buffer，TLB）的缺失率和搜索页面的深度。

（8）新异常模型。这降低了操作系统和监控程序软件的复杂度。

（9）高效的缓存管理。用户空间缓存操作可改善动态代码生成的效率。使用数据缓存零指令可以快速清除数据缓存。

（10）硬件加速的加密。与前一代框架相比，它提供3倍到10倍的软件加密性能。这对于小颗粒解密和加密非常有用，因为颗粒度太小以至于不能有效地卸载到硬件加速器，如HTTPS。

（11）加载-获取、保存-释放指令。这是专为C++11、C11、Java存储器模型设计的功能。它们通过消除显式的存储器屏障指令来提高线程安全代码的性能。

（12）NEON双精度浮点高级SIMD。这使得SIMD矢量化能应用于更广泛的算法集，如科学计算、高性能计算（High Performance Computing，HPC）和超级计算机。

2.Armv7-A

Armv7-A架构引入了架构框架的概念，该架构框架已经进入Armv8-A架构。它实现了具有多种模式的传统Arm CPU架构，支持基于MMU的VMSA，并支持Arm（A32）和Thumb（T32）指令集。

该架构还支持以下多种扩展。

（1）安全扩展。这是一组可选扩展，提供了一组便于开发安全应用程序的安全功能。

（2）多处理扩展。这是一组可选扩展，提供了一组增强多处理性能的功能。

（3）大物理地址扩展。这是一个可选扩展，提供了一个地址转换系统，在细粒度转换下，支持高达40位的物理地址，要求实现多处理扩展。

（4）虚拟化扩展。这是一组可选扩展，为虚拟机监视器提供硬件支持，称为监控程序（Hypervisor），以在客户与操作系统之间切换。它要求实现安全扩展和大物理地址扩展。

（5）通用定时器扩展。这是一个可选扩展，提供了一个系统定时器和与定时器接口的低延迟寄存器。它是大物理地址扩展或虚拟化扩展的一部分，但是它也可以使用早期版本的Armv7-A架构实现。

（6）性能监视器扩展。此扩展定义了推荐的性能监视器的实现，并为性能监视器保留了寄存器空间。

尽管性能监视器扩展仍然是可选的，但是这些扩展提供的大多数功能都包含在Armv8-A架构中。

A-Profile与CPU的对应关系如表1.3所示。