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| -- 作者：wangxinxin -- 發(fā)布時(shí)間：2010-11-18 12:15:54 -- ARM體系結(jié)構(gòu)的技術(shù)特征 在開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)第一個(gè)ARM芯片時(shí)，當(dāng)時(shí)的一些機(jī)器如Digital PDP-8、Cray-1和IBM 801在設(shè)計(jì)時(shí)早就提出了RISC的概念，并且在其后發(fā)展中有了許多RISC的特征，但RISC惟一的例子仍只有Berkeley的RISC I和II及Stanford的MIPS（Microprocessor without Interlocking Pipeline Stages， 無(wú)互鎖流水線(xiàn)處理器），而它們當(dāng)時(shí)僅僅用于教學(xué)和研究。ARM處理器是第一個(gè)為商業(yè)用途而開(kāi)發(fā)的RISC微處理器。ARM所采用的體系結(jié)構(gòu)，對(duì)于當(dāng)時(shí)的RISC體系結(jié)構(gòu)既有繼承，又有拋棄，即完全根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)的需要仔細(xì)研究，沒(méi)有機(jī)械照搬。ARM的體系結(jié)構(gòu)中采用了若干Berkeley RISC處理器設(shè)計(jì)的特征，但也放棄了其他若干特征。這些采用的特征有： ·Load/Store體系結(jié)構(gòu) ·固定的32位指令 ·3地址指令格式 在Berkeley RISC設(shè)計(jì)采用的特征中被ARM設(shè)計(jì)者放棄的RISC的技術(shù)特征有： ·寄存器窗口 在早期的RISC中，由于Berkeley原型機(jī)中包含了寄存器窗口，使得寄存器窗口的機(jī)制密切地伴隨著RISC的概念，成為一般RISC的一大特征。Berkeley RISC處理器的寄存器堆中使用寄存器窗口，使得任何時(shí)候總有32個(gè)寄存器是可見(jiàn)的。進(jìn)程進(jìn)入和退出都訪問(wèn)新的一組寄存器，因此減少了因寄存器保存和恢復(fù)導(dǎo)致的處理器和存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)擁塞和時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)。這是擁有寄存器窗口的優(yōu)點(diǎn)。但是寄存器窗口的存在以大量寄存器占用較多的芯片資源為代價(jià)，使得芯片成本增加，因此在ARM處理器設(shè)計(jì)時(shí)未采用寄存器窗口。盡管在ARM中用來(lái)處理異常的影子（shadow）寄存器和窗口寄存器在概念上基本相同，但是在異常模式下對(duì)進(jìn)程進(jìn)行處理時(shí)，影子寄存器的數(shù)量是很少的。 ·延遲轉(zhuǎn)移 由于轉(zhuǎn)移中斷了指令流水線(xiàn)的平滑流動(dòng)而造成了流水線(xiàn)的“斷流”問(wèn)題，多數(shù)RISC處理器采用延遲轉(zhuǎn)移來(lái)改善這一問(wèn)題，即在后續(xù)指令執(zhí)行后才進(jìn)行轉(zhuǎn)移。在原來(lái)的ARM中延遲轉(zhuǎn)移并沒(méi)有采用，因?yàn)樗巩惓Ｌ幚磉^(guò)程更加復(fù)雜。 ·所有指令單周期執(zhí)行 ARM被設(shè)計(jì)為使用最少的時(shí)鐘周期來(lái)訪問(wèn)存儲(chǔ)器，但并不是所有指令都單周期執(zhí)行。如在低成本的ARM應(yīng)用領(lǐng)域中普遍使用的ARM7TDMI，數(shù)據(jù)和指令占有同一總線(xiàn)，使用同一存儲(chǔ)器時(shí)，即使最簡(jiǎn)單的Load和Store指令也最少需要訪問(wèn)2次存儲(chǔ)器（1次取指令，1次數(shù)據(jù)讀/寫(xiě)）。當(dāng)訪問(wèn)存儲(chǔ)器需要超過(guò)一個(gè)周期時(shí)，就多用一個(gè)周期。因此，并不是所有ARM指令都在單一時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行的，少數(shù)指令需要多個(gè)時(shí)鐘周期。高性能的ARM9TDMI使用分開(kāi)的數(shù)據(jù)和指令寄存器，才有可能把Load和Store指令的指令存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)訪問(wèn)存儲(chǔ)器操作單周期執(zhí)行。 最初的ARM設(shè)計(jì)最關(guān)心的是必須保持設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單性。ARM的簡(jiǎn)單性在ARM的硬件組織和實(shí)現(xiàn)上比指令集的結(jié)構(gòu)上體現(xiàn)得更明顯。把簡(jiǎn)單的硬件和指令集結(jié)合起來(lái)，這是RISC體系的思想基礎(chǔ)；但是ARM仍然保留一些CISC的特征，并且因此達(dá)到了比純粹的RISC更高的代碼密度，使得ARM在開(kāi)始時(shí)就獲得其功率效率和較小的核面積的優(yōu)勢(shì)。 |