鸡的雅称:ARM体系结构研究(一)

一、 引 言

　　随着近两年各种智能手机、平板电脑、车载电子等各种消 费品的蓬勃发展，ARM体系结构的处理器，作为这些消费品的处理核心，也得到了长足的进步，甚至击败了Intel，在移动嵌入式领域独占鳌头。本文将首先介绍ARM体系结构的发展历程，然后将着重梳理其最先进的Cortex系列处理器的体系结构，以及这些结构对于各种软件平台如JAVA、.NET的支持等。

　　二、 ARM体系结构的历史即其新进展

　　 2.1 ARM体系结构市场前景

　　来自英国的ARM（Acorn RISC Machine）公司虽然以ARM处理器著称，但是它独特的商业模式却决定了ARM公司本身并不生产处理器，这点与从研发到生产到出货垂直整合的Intel公司有很大不同，ARM公司采取的是授权与提成的商业模式（Intellectual Property Core 简写IP-Core）：公司自己研发处理器体系架构，然后将这套架构的知识产权有偿授权给处理器制造厂商如高通、三星等半导体厂商，这些厂商造出的每一块使用ARM体系结构的芯片只需向ARM公司交付低廉的提成即可。由于这种创新的商业模式和低廉的成本，加上ARM体系的低功耗特点，让ARM体系在对价格敏感和续航能力敏感的32位嵌入式电子消费品市场如虎添翼，基本占据了32位嵌入式消费平100%的市场份额。发展到如今，ARM芯片甚至在对运算速度要求更高的的上网本、平板电脑也大有跟Intel的ATOM处理器一较高低的实力。近来红得发紫的苹果iPad就是采用的ARM深度定制的一款处理器架构，其它还有很多运行着Android系统的平板产品、智能手机产品等也都采用ARM体系结构的处理核心。由此可见ARM体系结构在移动电子消费品市场无与伦比的优势。

　　2.2 ARM体系发展历史

　　1985——诞生了第一颗ARM芯片，ARM1 Sample版。

　　1986——ARM2，具有32位数据总线，26位地址总线，16个32位寄存器的处理器实现产能量产。

　　20世纪80年代晚期——苹果电脑开始与Acorn合作开发新版的ARM核心。

　　1991——与苹果的合作造就了ARM6，并进入了苹果的Apple Newton PDA和Acorn Risc-PC成为了它们的处理器。在该年正式成立了ARM公司，作为Acorn的一家子公司。

　　1991——至今ARM的产品已经横贯应用程序处理器，嵌入式处理器，专家系统等各种计算领域，成为了移动电子消费品市场、复杂工业控制应用的首选处理器体系架构。

　　2.3 ARM产品系列简介

　　2.3.1 经典ARM 处理器

　　这一系列包括的处理器架构有：

　　l ARM11 系列 —— 基于ARMv6 体系结构的高性能处理器

　　l ARM9 系列 —— 基于ARMv5 体系结构的常用处理器

　　l ARM7 系列 —— 面向普通应用的经典处理器

　　该系列适用于那些希望在新应用中追求稳定的产品。这些处理器提供了许多的特性、卓越的功效和范围广泛的操作能力，适用于成本敏感型解决方案。这些处理器每年都有数十亿的发货量，因此可确保设计者获得最广泛的体系和资源，从而最大限度地减少集成过程中出现的问题并缩短上市时间。

　　2.3.2 ARM Cortex 嵌入式处理器

　　这一系列的处理器架构有：

　　l Cortex-R 系列 —— 面向实时应用的卓越性能

　　l Cortex-M 系列 —— 面向具有确定性的微控制器应用的成本敏感型解决方案

　　Cortex-M 系列处理器主要是针对微控制器领域开发的，在该领域中，既需进行快速且具有高确定性的中断管理，又需将门数和可能功耗控制在最低；而Cortex-R 系列处理器的开发则面向深层嵌入式实时应用，对低功耗、良好的中断行为、卓越性能以及与现有平台的高兼容性这些需求进行了平衡考虑。

　　2.3.3 ARM Cortex 应用程序处理器

　　这一系列包括的处理器架构只有

　　l Cortex-A 系列- 开放式操作系统的高性能处理器

　　Cortex-A在高级工艺节点中可实现高达2GHZ+的主频，也正是由于如此卓越的性能，该处理器架构可用于下一代Internet设备，而且该系列提供单核和多核多种种类，并且提供NEON多媒体处理模块的四种选择和高级浮点执行单元和处理单元。

　　2.3.4 ARM 专家处理器

　　这一系列包括的处理器架构只有

　　l SecurCore - 面向高安全性应用的处理器

　　l FPGA 内核- 面向FPGA 的处理器

　　该系列的处理器主要是为了满足一些特定市场的苛刻需求。SecurCore可以用于手机SIM卡和其他识别应用，集成了多种既可以为用户提供卓越性能，又可以检测和避免安全攻击的技术。

　　2.4 ARM指令集

　　谈到ARM的指令系统，必须先明确一点的就是，ARM体系结构不同于x86，它是RISC（Reduced Instruction Set Computer）体系结构。所以，在ARM指令体系中，各指令相对来说更加规整、对称、简单。而且指令小于100条，基本寻址方式只有2~3中，而且指令字长都比较一直，并都在单个时钟周期内完成，以便于流水操作。在ARM7中采用的是3级流水线：取值、译码、执行。而ARM9和ARM10则是五级流水线和六级流水线。ARM的访存采用的都是LOAD-STORE结构，这样可以把每条指令的执行时间都平均化，有助于高效的流水线的实现，采用这种结构也就同时意味着指令都要在寄存器间进行操作，所以ARM体系中有大量的寄存器（不少于32个）。

　　2.4.1 ARM指令与Thumb指令

　　ARM指令集可以是32位长的ARM指令，也可以是16位长的Thumb指令，这主要是为了兼容数据总线为16位的应用系统。所有的Thumb指令都有对应的ARM指令，Thumb只是ARM的一个真子集，而且Thumb指令舍弃了ARM指令集的一些特性，如大多数Thumb指令都是无条件执行的，而几乎所有的ARM指令都是有条件执行的，又如大多数的Thumb指令由于长度有限，目的寄存器是源寄存器中的一个，这跟x86的汇编指令集相似。

　　Thumb指令的优点在于它可以在保留32位代码优势的同时，大大节省系统的存储空间，因为在Thumb指令集中的操作数仍然是32位的，指令地址也是32位的，只是指令编码变成了16位，而ARM指令则为32位，所以，相比之下，实现同样的功能，Thumb指令的条数要比ARM略多。图2.1是“Add Rd，#Constant”在Thumb状态和ARM状态下的指 令比较：

　　

　　图2.1 Thumb指令和ARM指令的比较

　　由上图我们可以清楚地看到Thumb指令的精简之处，所以Thumb的存储空间仅仅是ARM存储空间的60%~70%，但是Thumb的指令条数比ARM指令条数多30%~50%，如果使用32位的存储器，由于指令条数较少等原因，ARM指令会比Thumb指令快40%左右，而使用16位存储器时，Thumb指令则会快40%~50%。同时与ARM比较Thumb指令的功耗会降低约30%。但是Thumb指令也有其局限性。第一、偏移范围，在Thumb指令中条件转移偏移只有8位，也就是说只能在256Byte的范围内有条件地转移，在无条件转移中可以有16位的偏移，而这些在ARM指令中都是32位，大大提高了灵活性。同时，在Thumb指令中不支持乘法和累加，没有协处理器指令没有信号量指令也没有CPSR指令。

　　在面临二者的取舍的时候，同其它无数的案例一样，发挥各自的长处是最完美的解法。如果系统对性能要求较高，应采用32位的存储器和ARM指令集，而对功耗和成本要求较高，则应使用Thumb指令集。但是如果两者结合使用，让它们充分发挥各自的优点，则会取得更好的效果。

　　ARM指令的基本格式如下：

　　 {} {S} ,{,}

　　 其中<>号内的项是必须的，{}号内的项是可选的，opcode为指令助记符；cond是该动作的执行条件；S表示影响CPSR寄存器（程序状态寄存器）的值，如果不加则表示不影响 CPSR的值；Rd表示运算结果的目标寄存器；Rn表示第1个操作数的寄存器；operand2表示第2个操作数，可选。

　　同时，ARM芯片还支持协处理器，在ARM指令集中有对协处理器的数据操作、数据读取、数据写入和CPU与协处理器的寄存器传送的相应指令。

　　ARM指令集详细介绍见附录A。

　　2.5 ARM体系结构对运行平台的支持 ——Jazelle技术

　　运行Java虚拟机（JVM）解释Java字节码这种方式对大多数嵌入式应用来说占用空间过多，运行速度过慢。而系统发展的趋势及市场的需求决定了Java应用需要有更强的图形处理能力以及一个强大的Java虚拟机。于是催生出了Jazelle技术，从硬件上对Java虚拟机提供支持。 Jazelle DBX（Direct Bytecode eXecution）是一种硬件架构扩展技术，为ARM处理器引入了第三套指令集—Java字节码。新指令集建立了一种新的状态，处理器在此状态下处理Java字节码取指令、译码和维护Java操作数栈等任务。允许它们在某些架构的硬件上加速执行Java字节码，就如其他执行模式般，它能在现存的ARM与Thumb模式之间互相切换。为了降低芯片尺寸并提高性能，Jazelle DBX没有设计成传统形式的微引擎，而是融入流水线中的一个有限状态机。如图2.2所示

　　

　　图2.2 加入了Java硬件加速的ARM流水线示意图

　　Jazelle DBX技术增加了一条新的“Branch-to-Java”指令来进入Java状态。此指令支持条件执行，先检查条件标志，如果条件满足，处理器进入Java状态，跳转到指定目标地址，开始执行Java字节码。在Java状态下，PC寄存器仍是32位寻址Java字节代码。字节码的取指、译码分别在两个流水段完成（对应ARM/Thumb状态下为一个译码流水级）。32位的取指令操作一次性可以取4个Java字节码，性能优势十分明显，对于一个高度优化的商业Java虚拟机，运行评测程序或复杂的MIDP2.0应用，Jazelle DBX技术通常可带来约2~4倍的性能提升。Jazelle DBX技术允许所有的Java指令是“可重新开始”的。这样在执行Java指令过程中，即刻响应中断，从而减少中断延迟，确保实时性能。

　　在ARM处理器的Java状态下，有若干个ARM寄存器可以功能复用（包括栈指针、栈顶四项（top4 elements of stack）、局部变量0等）。正是这些硬件复用设计，才使得只用了很少的额外逻辑（约一万两千门）就实现了一个Java机。把所有Jazelle DBX扩展所需的状态用ARM寄存器保存，也保证了和现有操作系统、中断处理程序和异常处理代码的兼容性。把栈顶四项保存在ARM寄存器中也能提高Java性能。大量的程序分析显示，大多数程序的栈深度是很小的，所以这项策略可以尽量减少内存访问，硬件也可自动处理栈溢出或下溢。

　　和Java协处理器或其它专用Java处理器设计不同的是，Jazelle DBX和主处理器共用缓存，这一方面能够降低功耗，而且还可以提高性能。另一个重要的设计考虑是确保Jazelle DBX技术不会影响实时中断性能，仍保持与操作系统中已有ARM异常处理代码的兼容。图2.3是在加入了Jazelle的ARM处理器中运行Java应用的垂直架构架图。

　　

　　图2.3加入了Jazelle的ARM处理器上的Java应用垂直架构图