ARM單片機(jī)（Advance Risk Machine），它是世界上使用最廣泛的許可最多的處理器內(nèi)核之一。第一個(gè)ARM處理器由劍橋大學(xué)于1978年開發(fā)，第一個(gè)ARM RISC處理器由Acorn Group of Computers在1985年生產(chǎn)。這些處理器專門用于便攜式設(shè)備，如數(shù)碼相機(jī)，手機(jī)，家庭網(wǎng)絡(luò)。 由于具有諸如低功耗，合理的性能等優(yōu)點(diǎn)，這些模塊和無(wú)線通信技術(shù)以及其他嵌入式系統(tǒng)也可以使用。本文概述了ARM體系結(jié)構(gòu)以及每個(gè)模塊的工作原理。

ARM架構(gòu)

ARM體系結(jié)構(gòu)處理器是先進(jìn)的精簡(jiǎn)指令集計(jì)算（RISC）機(jī)器，并且是32位精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)（RISC）單片機(jī)。它是由Acron計(jì)算機(jī)組織于1987年推出的。該ARM是由ST Microelectronics，Motorola等制造商開發(fā)的單片機(jī)系列。ARM體系結(jié)構(gòu)具有完全不同的版本，例如ARMv1，ARMv2等，并且每個(gè)版本都有其自身的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

ARM皮質(zhì)是ARM系列中具有ARMv7設(shè)計(jì)的復(fù)雜單片機(jī)。ARM cortex系列中有3個(gè)子系列：

ARM-Cortex Ax系列；
ARM-Cortex Rx系列；
ARM-Cortex Mx系列。

ARM體系結(jié)構(gòu)

1.算術(shù)邏輯單元；
2.展位乘數(shù)；
3.桶式移位器；
4.控制單元。

本文中，英銳恩單片機(jī)開發(fā)工程師介紹了ARM的各個(gè)組件。

ARM處理器還具有其他組件，例如程序狀態(tài)寄存器，其中包含處理器標(biāo)志（Z，S，V和C）。除中斷和快速中斷禁止位外，模式位還聯(lián)合存在于程序常規(guī)寄存器中。一些特殊的寄存器：一些寄存器用于指令，存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)讀寫寄存器和存儲(chǔ)器地址寄存器。

優(yōu)先級(jí)編碼器：編碼器用于多重加載和存儲(chǔ)指令中，以指出要加載或保留的寄存器文件中的哪個(gè)寄存器。

多路復(fù)用器：幾個(gè)多路復(fù)用器習(xí)慣于處理器總線的管理操作。由于項(xiàng)目時(shí)間有限，我們傾向于在行為模型中實(shí)施這些組件。每個(gè)組件都有一個(gè)實(shí)體描述。每個(gè)實(shí)體都有其自己的體系結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)其應(yīng)用針對(duì)某些必要性對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。這使設(shè)計(jì)更易于構(gòu)建和維護(hù)。

算術(shù)邏輯單元（ALU）

ALU有兩個(gè)32位輸入。主要變量來(lái)自寄存器文件，而另一個(gè)變量來(lái)自移位器。狀態(tài)寄存器標(biāo)志由ALU輸出修改。V位輸出轉(zhuǎn)到V標(biāo)志，而Count轉(zhuǎn)到C標(biāo)志。盡管最高有效位實(shí)際上表示S標(biāo)志，但ALU輸出操作由NORed完成以獲取Z標(biāo)志。ALU具有4位功能總線，最多可實(shí)現(xiàn)16個(gè)操作碼。

乘數(shù)因子

乘數(shù)因子有3個(gè)32位輸入，輸入從寄存器文件返回。乘數(shù)輸出僅是商品的32個(gè)最低有效位。上圖顯示了乘數(shù)因子的實(shí)體表示。每當(dāng)開始的04輸入激活時(shí)，乘法就開始。完成后，輸出的Fin變高。

Booth算法

Booth算法是2補(bǔ)碼的值得注意的乘法算法規(guī)則。這樣可以統(tǒng)一對(duì)待正數(shù)和負(fù)數(shù)。此外，在不執(zhí)行任何加法或減法的情況下，跳過乘數(shù)因子內(nèi)的0或1的行程，從而可能實(shí)現(xiàn)更快的乘法。該圖顯示了乘法器測(cè)試臺(tái)的仿真結(jié)果。顯然，乘法僅在16個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成。

桶式移位器

桶形移位器具有要移位的32位輸入。該輸入是從寄存器文件返回的，或者它可能是立即數(shù)據(jù)。移位器具有從指令寄存器返回的不同控制輸入。指令中的Shift字段控制桶形移位器的操作。該字段指示要執(zhí)行的移位類型（邏輯左或右，算術(shù)右或右旋轉(zhuǎn)）。寄存器應(yīng)該移位的數(shù)量包含在指令的立即數(shù)字段中，或者可能是寄存器文件中寄存器的低6位。

shift_val輸入總線為6位，最多允許32位移位。移位類型指示所需的移位種類00、01、10、11分別對(duì)應(yīng)于左移位，右移位，算術(shù)右移位和右旋轉(zhuǎn)。桶形移位器特別是由多路復(fù)用器創(chuàng)建的。

控制單元

對(duì)于任何微處理器，控制單元都是整個(gè)過程的核心，它負(fù)責(zé)系統(tǒng)的運(yùn)行，因此控制單元的設(shè)計(jì)是整個(gè)設(shè)計(jì)中最重要的部分。控制單元有時(shí)是純組合電路設(shè)計(jì)。在此，控制單元由簡(jiǎn)易狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)。處理器時(shí)序另外包含在控制單元內(nèi)。來(lái)自控制單元的信號(hào)連接到處理器內(nèi)的每個(gè)組件，以監(jiān)督其操作。

ARM功能圖

必須解釋的最后一件事是ARM的使用方式以及芯片的顯示方式。與處理器接口的各種信號(hào)是輸入，輸出或監(jiān)控信號(hào)，將用于控制ARM操作。

Cortex處理器的其他用途

1.它是精簡(jiǎn)指令集的計(jì)算控制器

32位高性能中央處理器；
三級(jí)管道，緊湊型。

2.它具有THUMB-2技術(shù)

與16/32位指令合并；
高性能。

3.它支持工具和RTOS及其核心Sight調(diào)試和跟蹤

JTAG或2針串行線調(diào)試連接；
支持多個(gè)處理器。

4.低功耗模式

它支持睡眠模式；
控制軟件包；
多個(gè)電源域。

5.嵌套向量中斷控制器（NVIC）

低延遲，低噪聲中斷響應(yīng)；
無(wú)需匯編編程。

以上就是英銳恩單片機(jī)開發(fā)工程師分享的ARM單片機(jī)的架構(gòu)與工作原理。