ARM架構(gòu)是怎么樣的？arm架構(gòu)和x86架構(gòu)有什么區(qū)別？
2019-12-20
[導(dǎo)讀]ARM架構(gòu)，曾稱進(jìn)階精簡(jiǎn)指令集機(jī)器(Advanced RISC Machine)更早稱作Acorn RISC Machine，是一個(gè)32位精簡(jiǎn)指令集(RISC)處理器架構(gòu)。還有基于ARM設(shè)計(jì)的派生產(chǎn)品，重要產(chǎn)品包括Marvell的XScale架構(gòu)和德州儀器的OMAP系列。
ARM架構(gòu)，曾稱進(jìn)階精簡(jiǎn)指令集機(jī)器(Advanced RISC Machine)更早稱作Acorn RISC Machine，是一個(gè)32位精簡(jiǎn)指令集(RISC)處理器架構(gòu)。還有基于ARM設(shè)計(jì)的派生產(chǎn)品，重要產(chǎn)品包括Marvell的XScale架構(gòu)和德州儀器的OMAP系列。
ARM家族占比所有32位嵌入式處理器的75%，成為占全世界最多數(shù)的32位架構(gòu)。
ARM處理器使用在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，低耗電節(jié)能，非常適用移動(dòng)通訊領(lǐng)域。消費(fèi)性電子產(chǎn)品，例如可攜式裝置(PDA、移動(dòng)電話、多媒體播放器、掌上型電子游戲，和計(jì)算機(jī))，電腦外設(shè)(硬盤、桌上型路由器)，甚至導(dǎo)彈的彈載計(jì)算機(jī)等軍用設(shè)施。
一顆主要用于路由器的Conexant ARM處理器是Acorn電腦公司(Acorn Computers Ltd)于1983年開始的開發(fā)計(jì)劃。
這個(gè)團(tuán)隊(duì)由Roger Wilson和Steve Furber帶領(lǐng)，著手開發(fā)一種新架構(gòu)，類似進(jìn)階的MOS Technology 6502處理器。Acorn有一大堆建構(gòu)在6502架構(gòu)上的電腦，因此能設(shè)計(jì)出一顆類似的芯片即意味著對(duì)公司有很大的優(yōu)勢(shì)。
團(tuán)隊(duì)在1985年時(shí)開發(fā)出ARM1 Sample版，而首顆"真正"的產(chǎn)能型ARM2于次年量產(chǎn)。ARM2具有32位的數(shù)據(jù)總線、26位的尋址空間，并提供64 Mbyte的尋址范圍與16個(gè)32-bit的暫存器。這些暫存器其中有一顆做為(word大小)程式計(jì)數(shù)器，其前面6 bits和后面2 bits用來保存處理器狀態(tài)標(biāo)記(Processor Status Flags)。ARM2可能是全世界最簡(jiǎn)單實(shí)用的32位微處理器，其僅容納了30,000個(gè)晶體管(相較于Motorola六年后的68000其包含了70,000顆)。之所以精簡(jiǎn)的原因在于它不含微碼(請(qǐng)參閱microcode)(這表示大概只有68000的1/3至1/4)，而與現(xiàn)今大多數(shù)的 CPU 不同，它沒有包含任何的高速緩存。這個(gè)精簡(jiǎn)的特色使它只需消耗很少的電能，卻能發(fā)揮比 Intel 80286 更好的效能。后繼的處理器ARM3更備有4KB的高速緩存，使它能發(fā)揮更佳的效能。
在1980年代晚期，蘋果電腦開始與Acorn合作開發(fā)新版的ARM核心，由于這專案非常重要，Acorn甚至于1990年將設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)另組成一間名為安謀國際科技(Advanced RISC Machines Ltd.)的新公司。也基于這原因，使得ARM有時(shí)候反而稱作Advanced RISC Machine而不是Acorn RISC Machine。由于其母公司ARM Holdings plc于1998年的倫敦交易市場(chǎng)和NASDAQ掛牌上市[1]，使得Advanced RISC Machines成了ARM Ltd旗下?lián)碛械漠a(chǎn)品。
這個(gè)專案到后來進(jìn)入了ARM6，首版的式樣在1991年釋出，然后蘋果電腦使用ARM6架構(gòu)的ARM 610來當(dāng)作他們Apple Newton PDA的基礎(chǔ)。在1994年，Acorn使用ARM 610做為他們Risc PC電腦內(nèi)的CPU。
在這些變革之后，內(nèi)核部份卻大多維持一樣的大小。ARM2有30,000顆晶體管，但ARM6卻也只增長(zhǎng)到35,000顆。主要概念是以O(shè)DM的方式，使ARM核心能搭配一些選配的零件而制成一顆完整的CPU，而且可在現(xiàn)有的晶圓廠里制作并以低成本的方式達(dá)到很大的效能。
ARM的經(jīng)營(yíng)模式在于出售其知識(shí)產(chǎn)權(quán)核(IP core)，授權(quán)廠家依照設(shè)計(jì)制作出建構(gòu)于此核的微控制器和中央處理器。最成功的實(shí)作案例屬 ARM7TDMI，幾乎賣出了數(shù)億套內(nèi)建微控制器的裝置。
DEC 購買這個(gè)架構(gòu)的產(chǎn)權(quán)(此處會(huì)造成混淆在于其本身也制造 DEC Alpha 并研發(fā)出StrongARM。在 233 MHz 的頻率下，這顆 CPU 只消耗一瓦特的電能(后來的芯片消耗得更少)。這項(xiàng)設(shè)計(jì)后來為了和 Intel 的控訴和解而技術(shù)移轉(zhuǎn)，Intel 因而趁機(jī)以 StrongARM 架構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)他們老舊的 i960 產(chǎn)線。Intel 后來開發(fā)出他們自有的效能實(shí)作，稱作XScale，之后也賣給了 Marvell。
支援智能型手機(jī)、PDA和其他手持裝置最常見的架構(gòu)是ARMv4。XScale 和 ARM926 處理器是ARMv5TE，而且比起建構(gòu)在 ARMv4 的 StrongARM、ARM925T 和 ARM7TDMI 等處理器還更常見于許多高階裝置上。架構(gòu)版本如下欄所示。
設(shè)計(jì)文件
講求精簡(jiǎn)又快速的設(shè)計(jì)方式，整體電路化卻又不采用微碼，就像早期使用在Acorn微電腦的8位6502處理器。
ARM架構(gòu)包含了下述RISC特性：
讀取/儲(chǔ)存 架構(gòu)
不支援地址不對(duì)齊內(nèi)存存取(ARMv6內(nèi)核現(xiàn)已支持)
正交指令集(任意存取指令可以任意的尋址方式存取數(shù)據(jù)Orthogonal instruction set)
大量的16 × 32-bit 寄存器陣列(register file)
固定的32 bits 操作碼(opcode)長(zhǎng)度，降低編碼數(shù)量所產(chǎn)生的耗費(fèi)，減輕解碼和流水線化的負(fù)擔(dān)。
大多均為一個(gè)CPU周期執(zhí)行。
為了補(bǔ)強(qiáng)這種簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)方式，相較于同時(shí)期的處理器如Intel 80286和Motorola 68020，還多加了一些特殊設(shè)計(jì)：
大部分指令可以條件式地執(zhí)行，降低在分支時(shí)產(chǎn)生的負(fù)重，彌補(bǔ)分支預(yù)測(cè)器(branch predictor)的不足。
算數(shù)指令只會(huì)在要求時(shí)更改條件編碼(condition code)
32-bit筒型位移器(barrel shifter)可用來執(zhí)行大部分的算數(shù)指令和尋址計(jì)算而不會(huì)損失效能
強(qiáng)大的索引尋址模式(addressing mode)
精簡(jiǎn)但快速的雙優(yōu)先級(jí)中斷子系統(tǒng)，具有可切換的暫存器組
有個(gè)附加在ARM設(shè)計(jì)中好玩的東西，就是使用一個(gè)4-bit 條件編碼 在每個(gè)指令前頭，表示每支指令的執(zhí)行是否為有條件式的
這大大的減低了在內(nèi)存存取指令時(shí)用到的編碼位，換句話說，它避免在對(duì)小型敘述如if做分支指令。有個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的范例引用歐幾里得的公因子算法：
另一項(xiàng)指令集的特色是，能將位移(shift)和回轉(zhuǎn)(rotate)等功能并成"資料處理"型的指令(算數(shù)、邏輯、和暫存器之間的搬移)，因此舉例來說，一個(gè)C語言的敘述
a += (j << 2);
在ARM之下，可簡(jiǎn)化成只需一個(gè)word和一個(gè)cycle即可完成的指令
ADD Ra, Ra, Rj, LSL #2
這結(jié)果可讓一般的ARM程式變得更加緊密，而不需經(jīng)常使用內(nèi)存存取，流水線也可以更有效地使用。即使在ARM以一般認(rèn)定為慢速的速度下執(zhí)行，與更復(fù)雜的CPU設(shè)計(jì)相比它仍能執(zhí)行得不錯(cuò)。
ARM處理器還有一些在其他RISC的架構(gòu)所不常見到的特色，例如PC-相對(duì)尋址(的確在ARM上PC為16個(gè)暫存器的其中一個(gè))以及 前遞加或后遞加的尋址模式。
另外一些注意事項(xiàng)是 ARM 處理器會(huì)隨著時(shí)間，不斷地增加它的指令集。某些早期的 ARM 處理器(比ARM7TDMI更早)，譬如可能并未具備指令可以讀取兩 Bytes 的數(shù)量，因此，嚴(yán)格來講，對(duì)這些處理器產(chǎn)生程式碼時(shí)，就不可能處理如 C 語言物件中使用 "volatile short" 的資料型態(tài)。
ARM7 和大多數(shù)較早的設(shè)計(jì)具備三階段的流水線化(Pipeline)：提取指令、解碼，并執(zhí)行。教高的效能設(shè)計(jì)，如 ARM9，則有五階段的流水線化。提升效能的額外方式，包含一顆較快的加法器，和更廣的分支預(yù)測(cè)邏輯線路。
這個(gè)架構(gòu)使用“協(xié)處理器”提供一種非侵入式的方法來延伸指令集，可透過軟件下 MCR、MRC、MRRC和MCRR 等指令來對(duì)協(xié)處理器尋址。協(xié)處理器空間邏輯上通常分成16個(gè)協(xié)處理器，編號(hào)分別從 0 至 15 ，而第15號(hào)協(xié)處理器(CP15)是保留用作某些常用的控制功能，像是使用高速緩存和記憶管理單元運(yùn)算(若包含于處理器時(shí))。
在 ARM 架構(gòu)的機(jī)器中，周邊裝置連接處理器的方式，通常透過將裝置的實(shí)體暫存器對(duì)應(yīng)到 ARM 的內(nèi)存空間、協(xié)處理器空間，或是連接到另外依序接上處理器的裝置(如總線)。協(xié)處理器的存取延遲較低，所以有些周邊裝置(例如 XScale 中斷控制器)會(huì)設(shè)計(jì)成可透過不同方式存取(透過內(nèi)存和協(xié)處理器)。
Thumb
較新的ARM處理器有一種16-bit指令模式，叫做Thumb，也許跟每個(gè)條件式執(zhí)行指令均耗用4位的情形有關(guān)。在Thumb模式下，較小的opcode有更少的功能性。例如，只有分支可以是條件式的，且許多opcode無法存取所有CPU的暫存器。然而，較短的opcode提供整體更佳的編碼密度(注：意指程式碼在內(nèi)存中占的空間)，即使有些運(yùn)算需要更多的指令。特別在內(nèi)存埠或總線寬度限制在32 以下的情形時(shí)，更短的Thumb opcode能更有效地使用有限的內(nèi)存帶寬，因而提供比32位程式碼更佳的效能。典型的嵌入式硬件僅具有較小的32-bit datapath尋址范圍以及其他更窄的16 bits尋址(例如Game Boy Advance)。在這種情形下，通?？尚械姆桨甘蔷幾g成 Thumb 程式碼，并自行化一些使用(非Thumb)32位指令集的CPU相關(guān)程式區(qū)，因而能將它們置入受限的32-bit總線寬度的內(nèi)存中。
首顆具備 Thumb 技術(shù)的處理器是 ARM7TDMI。所有 ARM9 和后來的家族，包括 XScale 都納入了 Thumb 技術(shù)。
Jazelle
ARM 還開發(fā)出一項(xiàng)技術(shù)，Jazelle DBX (Direct Bytecode eXecution)，允許它們?cè)谀承┘軜?gòu)的硬件上加速執(zhí)行Java bytecode，就如其他執(zhí)行模式般，當(dāng)呼叫一些無法支援bytecodes的特殊軟件時(shí)，能提供某些bytecodes的加速執(zhí)行。它能在現(xiàn)存的ARM與Thumb模式之間互相執(zhí)行。
首顆具備Jazelle技術(shù)的處理器是ARM926EJ-S：Jazelle以一個(gè)英文字母'J'標(biāo)示于CPU名稱中。它用來讓手機(jī)制造商能夠加速執(zhí)行Java ME的游戲和應(yīng)用程式，也因此促使了這項(xiàng)技術(shù)不斷地開發(fā)。
Thumb-2
Thumb-2 技術(shù)首見于 ARM1156 核心 ，并于2003年發(fā)表。Thumb-2 擴(kuò)充了受限的 16-bit Thumb 指令集，以額外的 32-bit 指令讓指令集的使用更廣。因此 Thumb-2 的預(yù)期目標(biāo)是要達(dá)到近乎 Thumb 的編碼密度，但能表現(xiàn)出近乎 ARM 指令集在 32-bit 內(nèi)存下的效能。
Thumb-2 至今也從 ARM 和 Thumb 指令集中派生出多種指令，包含位欄(bit-field)操作、分支建表(table branches)，和條件執(zhí)行等功能。
ThumbEE
ThumbEE，也就是所謂的Thumb-2EE，業(yè)界稱為Jazelle RCT技術(shù)，于2005年發(fā)表，首見于 Cortex-A8 處理器。ThumbEE 提供從 Thumb-2 而來的一些擴(kuò)充性，在所處的執(zhí)行環(huán)境(Execution Environment)下，使得指令集能特別適用于執(zhí)行階段(Runtime)的編碼產(chǎn)生(例如即時(shí)編譯)。Thumb-2EE 是專為一些語言如 Limbo、Java、C#、Perl 和 Python，并能讓 即時(shí)編譯器 能夠輸出更小的編譯碼卻不會(huì)影響到效能。
ThumbEE 所提供的新功能，包括在每次存取指令時(shí)自動(dòng)檢查是否有無效指標(biāo)，以及一種可以執(zhí)行陣列范圍檢查的指令，并能夠分支到分類器(handlers)，其包含一小部份經(jīng)常呼叫的編碼，通常用于高階語言功能的實(shí)作，例如對(duì)一個(gè)新物件做內(nèi)存配置。
NEON
進(jìn)階 SIMD 延伸集，業(yè)界稱為NEON技術(shù)，它是一個(gè)結(jié)合 64 和 128 bit 的 SIMD(Single Instruction Multiple Data 單指令多重?cái)?shù)據(jù))指令集，其針對(duì)多媒體和訊號(hào)處理程式具備標(biāo)準(zhǔn)化加速的能力。NEON 可以在 10 MHz 的 CPU 上執(zhí)行 MP3 音效解碼，且可以執(zhí)行 13 MHz 頻率以下的 GSM AMR (Adaptive Multi-Rate) 語音編碼。NEON具有一組廣的指令集、各自的寄存器陣列，以及獨(dú)立執(zhí)行的硬件。NEON 支援 8-, 16-, 32- 和 64-bit 的整數(shù)及單精度浮點(diǎn)數(shù)據(jù)，并以 SIMD 的方式運(yùn)算，執(zhí)行圖形和游戲處理中關(guān)于語音/視訊的部分。SIMD 在 向量超級(jí)處理機(jī) 中是個(gè)決定性的要素，它具備同時(shí)多項(xiàng)處理功能。在 NEON 技術(shù)中，SIMD 可支援到同時(shí) 16 個(gè)運(yùn)算。
VFP
VFP 是在協(xié)同處理器針對(duì)ARM架構(gòu)的衍生技術(shù)。它提供低成本的單精度和倍精度浮點(diǎn)運(yùn)算能力，并完全相容于ANSI/IEEE Std 754-1985
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