第3章 ARM处理器构架
嵌入式系统中最常用的处理器为ARM处理器。ARM处理器以强大的功能、低功耗等特点，特别适合于嵌入式领域。本章将主要讲解ARM体系结构、处理器类型、编程模式及开发调试工具等。通过本章的学习，读者应该实现如下几个目标。
· 了解ARM体系结构。
· 掌握各种ARM处理器系列。
· 掌握ARM Cortex-M3的处理器结构。
· 掌握ARM Cortex-M3的编程模型。
· 掌握典型的ARM开发调试工具。
3.1 ARM体系结构概述
近年来，单片机在控制领域中实现了巨大的成功。而随着技术的发展，单纯的单片机或微控制器技术已经无法满足需求。随之而来，嵌入式系统设计是目前最热门的一种技术。在嵌入式系统设计中，首先面临的便是嵌入式处理器的选择。目前，ARM芯片凭借强大的处理能力和极低的功耗而得到广泛应用。所以，现在越来越多的公司在产品选型的时候考虑到使用ARM处理器。另外，随着ARM功能的增强和完善，某些方面可以取代原先X86架构的单板机，特别是工控领域。本书将以ARM嵌入式处理器为例讲解嵌入式系统的开发，下面首先了解一下ARM及其体系结构。
3.1.1 ARM简介
ARM，英文全称为Advanced RISC Machines。ARM首先是一个公司的名称，1991年ARM公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。ARM公司是专门从事基于RISC技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可，由合作公司生产各具特色的芯片。
其次，ARM是对一类微处理器的通称。世界各大半导体生产商从ARM公司购买其ARM微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的ARM微处理器芯片进入市场。目前，采用ARM技术知识产权（IP）核的微处理器，即通常所说的ARM微处理器。
宽泛地说，ARM是一种技术的名字，即采用ARM处理器的控制技术。
ARM在嵌入式领域获得了巨大的成功，ARM处理器已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统、军用系统等各类产品市场，基于ARM技术的微处理器应用约占据了32位RISC微处理器70%以上的市场份额，ARM技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。
目前全世界有几十家大的半导体公司都使用ARM公司的授权，因此既使得ARM技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整个系统成本降低，使产品更容易进入市场并被消费者接受，更具有竞争力。
3.1.2 CISC的体系结构
CISC，英文全称为Complex Instruction Set Computer，即复杂指令集计算机。CISC是随着计算机技术的发展而不断引入新的复杂的指令集，为支持这些新增的指令，计算机的体系结构会越来越复杂。
然而，在CISC指令集中，各种指令的使用频率相差悬殊，大约有20%的指令会被反复使用，占整个程序代码的80%。而余下的80%的指令却不经常使用，在程序设计中只占20%。显然，CISC结构虽然指令全面功能强大，但是结构不合理，造成程序代码体积庞大，不适合于嵌入式系统。
3.1.3 RISC的体系结构
鉴于CISC体系结构的不合理性，1979年美国加州大学伯克利分校提出了RISC的概念。RISC的英文全称为Reduced Instruction Set Computer，即精简指令集计算机。
RISC以CISC为基础，重点优化计算机的结构，使其更加简单合理地提高运算速度。RISC结构优先选取使用频率最高的简单指令，避免复杂指令；将指令长度固定，指令格式和寻址方式种类减少；以控制逻辑为主，不用或少用微码控制等措施来达到上述目的。一般来说，RISC体系结构应具有如下特点：
· 采用固定长度的指令格式，指令归整、简单，基本寻址方式有2～3种。
· 使用单周期指令，便于流水线操作执行。
· 大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作，只有加载/ 存储指令可以访问存储器，以提高指令的执行效率。
· 采用一些特别的技术，在保证高性能的前提下尽量缩小芯片的面积，并降低功耗。
· 所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行，从而提高指令的执行效率。
· 可用加载/存储指令批量传输数据，以提高数据的传输效率。
· 可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理。
· 在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率。
ARM嵌入式处理器便是基于RISC体系结构的，这使得其非常适合于嵌入式应用领域。事实上，RISC和CISC各有优势，而且界限并不那么明显。现代的CPU往往采用CISC的外围，内部加入了RISC的特性，从而融合RISC和CISC的优势，成为未来的CPU发展方向之一。
3.1.4 ARM微处理器的应用领域
到目前为止，ARM微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域。
· 工业控制领域：作为32位的RISC架构，基于ARM核的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展，ARM微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8位/16位微控制器提出了挑战。
· 无线通信领域：目前已有超过85%的无线通信设备采用了ARM技术，ARM以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。
· 网络应用：随着宽带技术的推广，采用ARM技术的ADSL芯片正逐步获得竞争优势。此外，ARM在语音及视频处理上进行了优化，并获得广泛的支持，也对DSP的应用领域提出了挑战。
· 智能手机：目前智能手机几乎全部采用了ARM处理器，不仅获得了强大的功能，而且具有很好的功耗控制。
· 消费类电子产品：ARM技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用。
· 成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用了ARM技术。手机中的32位SIM智能卡也采用了ARM技术。
除此以外，ARM微处理器及技术还应用到许多不同的领域，并会在将来取得更广泛的应用。
3.1.5 ARM体系结构的特点
ARM微处理器采用RISC架构，其具有如下特点。
· 体积小、低功耗、低成本、高性能。
· 支持Thumb（16 位）/ARM（32 位）双指令集，能很好地兼容8/16 位器件。其中，ARM指令为32位的长度，Thumb指令为16位长度。Thumb指令集为ARM指令集的功能子集，但与等价的ARM代码相比较，可节省30%～40%以上的存储空间，同时具备32位代码的所有优点。
· 大量使用寄存器，指令执行速度更快。
· ARM处理器共有37个寄存器，被分为若干个组（BANK），这些寄存器包括：31个通用寄存器，包括程序计数器（PC指针），均为32位的寄存器；6个状态寄存器，用以标识CPU的工作状态及程序的运行状态，均为32位，目前只使用了其中的一部分。
· 大多数数据操作都在寄存器中完成。
· ARM处理器有7种不同的处理器模式，在每一种处理器模式下均有一组相应的寄存器与之对应。即在任意一种处理器模式下，可访问的寄存器包括15个通用寄存器（R0～R14）、1～2个状态寄存器和程序计数器。在所有的寄存器中，有些是在7种处理器模式下共用的同一个物理寄存器，而有些寄存器则是在不同的处理器模式下有不同的物理寄存器。
· 寻址方式灵活简单，执行效率高。
· 指令长度固定。