3.5.2　ARM体系架构特点

ARM微处理器现用的体系结构中至少支持两种指令集：32位ARM指令集和16位Thumb指令集。Thumb指令集为ARM指令集的功能子集，但与等价的ARM代码相比，使用Thumb指令集可以得到密度更高的代码。ARM指令集的体系结构与扩展如图3-10所示。

ARMV4是目前所支持的最早版本，之前的版本不再使用。某些ARM7系列和Intel公司的Strong ARM处理器采用该版本指令集。ARMV4指令集可以在32位地址空间执行32位的ARM指令集。并且有了T变种，可以在Thumb状态下支持16位的Thumb指令集。这与32位指令相比，可以节省35%的存储空间，且依旧保留了32位系统的优势。

ARMV5是在1999年发布的，与ARMV4相比，其提升了ARM和Thumb两种指令的交互工作能力，并改进了在T变种中ARM/Thumb状态之间的切换效率。同时有了E变种，可以支持DSP指令，在音频数字信号处理中可以提高70%的性能。2000年增加了J变种，可以运行Java指令。

图3-10　ARM系列图

ARMV6版本于2001年发布，其主要特点是增加了SIMD功能扩展，同时拓展了Thumb-2和Trust Zone技术。SIMD应用于视频编/解码与三维绘图等数字信号的处理中，能为音频视频在内的应用系统提供优化功能，可以使音频视频的处理能力提高4倍。Thumb-2是一种新型混合指令集，融合了16位和32位指令，用于实现密度和性能的最佳平衡，作为ARM体系结构的扩展，Trust Zone技术是一种新的硬件安全技术。

ARMV7在相当于ARM11下一代的CPU内核Cortex系列中被采用，针对不同用途，定义了三大分工明确的系列：A系列面向尖端的基于虚拟内存的操作系统和用户应用，R系列针对实时系统，M系列对微控制器和低成本应用提供优化。ARMV7的M系列采用了Thumb-2技术，A系列和R系列还采用了NEON技术，将DSP和媒体处理能力提高了近4倍，并支持改良的浮点运算，满足下一代3D图形和游戏应用，以及传统的嵌入式控制应用的需求。

2011年11月，ARM公司发布了其首款支持64位指令集的处理器架构ARMV8。ARMV8在32位ARM架构上进行开发，主要应用于对扩展虚拟地址和64位数据处理技术有更高要求的产品领域。ARMV8架构包含两个执行状态：AArch64和AArch32。AArch64执行状态针对64位处理技术，引入一个全新指令集A64；而AArch32执行状态将支持现有的ARM指令集。

2021年3月，全新的ARMV9架构面世，自ARMV8推出近十年的时间里，指令集架构在移动空间和服务器空间的采用日益广泛。ARMV9架构有三个侧重点，分别是AI、矢量和DSP性能改进。在具体细节上，ARMV9架构沿用AArch64基准指令集，并在功能方面添加了一些非常重要的扩展，从而确保ARM公司增加架构编号。对于开发者和用户而言，全新ARMV9的最显著特征是将可伸缩矢量扩展2（SVE2）作为ARMNEON技术之后新的基准，在处理5G、虚拟现实（VR）和增强现实（AR）、图像和语音识别等机器学习任务负载时具有很大增益。