ARM處理器結(jié)構(gòu)

ARM和Thumb狀態(tài)
RISC技術(shù)
流水線技術(shù)
超標量技術(shù)

ARM和Thumb狀態(tài)
V4版以后有：
（1）32位ARM指令集
（2）16位Thumb指令集，功能是ARM指令集的功能子集。
ARM7TDMI核以后，T變種的ARM微處理器有兩種工作狀態(tài)：
（1）ARM狀態(tài)
（2）Thumb狀態(tài)。
當ARM微處理器執(zhí)行32位的ARM指令集時，工作在ARM狀態(tài)；
當ARM微處理器執(zhí)行16位的Thumb指令集時，工作在Thumb狀態(tài)

Thumb技術(shù)介紹
ARM7體系結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用的時候，嵌入式控制器的市場仍然由8位、16位處理器占領(lǐng)。這些產(chǎn)品不能滿足高端應(yīng)用。這些應(yīng)用需要32位RISC處理器的性能和更優(yōu)于16位CISC處理器的代碼密度。
為了解決代碼密度的問題，ARM增加了T變種。
Thumb從32位ARM指令集中抽出來的36條指令格式，可重新編成16位的操作碼。
在運行時，16位的Thumb指令又由處理器解壓成32位指令。
Thumb核有2套獨立的指令集，它使設(shè)計者得到ARM32位指令性能的同時，又能享有Thumb指令集產(chǎn)生的代碼方面的優(yōu)勢，在性能和代碼大小之間取得平衡。

和ARM指令集相比，Thumb指令集具有以下的局限：
完成相同的操作，Thumb指令通常需要更多的指令，因此在對系統(tǒng)運行時間要求苛刻的場合，ARM指令集更為合適。
Thumb指令集沒有包含進行異常處理時需要的一些指令，因此在異常中斷時，還是需要使用ARM指令，這種限制決定了Thumb指令需要與ARM指令配合使用。

ARM與Thumb狀態(tài)轉(zhuǎn)換
在程序的執(zhí)行過程中，微處理器可以隨時在兩種工作狀態(tài)之間切換，并且該轉(zhuǎn)變不影響處理器的工作模式和相應(yīng)寄存器中的內(nèi)容。
進入Thumb狀態(tài)：當操作數(shù)寄存器的狀態(tài)位（位[0]）為1時，執(zhí)行BX指令。
進入ARM狀態(tài)：當操作數(shù)寄存器的狀態(tài)位（位[0]）為0時，執(zhí)行BX指令。

RISC技術(shù)
嵌入式微處理器可以分為兩類：CISC和RISC；
CISC（Complex Instruction Set Computer）：復雜指令系統(tǒng)計算機；隨著計算機技術(shù)的發(fā)展而不斷引入新的復雜的指令集，計算機的體系結(jié)構(gòu)會越來越復雜。
大約有20％的指令會被反復使用，占整個程序代碼的80％，而余下的80％的指令卻不經(jīng)常使用，在程序設(shè)計中只占20％ 。
RISC（Reduced Instruction Set Computer）：精簡指令系統(tǒng)計算機；－ 采用固定長度的指令格式
－ 使用單周期指令
－ 大量使用寄存器
－ 可用加載/存儲指令批量傳輸數(shù)據(jù)
－ 在循環(huán)處理中使用地址的自動增減

RISC技術(shù)與CISC技術(shù)比較

RISC技術(shù)
ARM處理器采用加載/存儲（Load/Store）體系結(jié)構(gòu)是典型的RISC處理器，即只有Load/Store的存/取指令可以訪問存儲器，其余指令都不允許進行存儲器操作。
RISC體系結(jié)構(gòu)基本特點：
（1）大多數(shù)指令只需要執(zhí)行簡單和基本的功能，其執(zhí)行過程在一個機器周期內(nèi)完成。
（2）只保留加載/存儲指令。操作數(shù)由加載/存儲指令從存儲器取出放寄存器內(nèi)操作。
（3）芯片邏輯不采用或少采用微碼技術(shù)，而采用硬布線邏輯。
（4）減少指令數(shù)和尋址方式。
（5）指令格式固定，指令譯碼簡化。
（6）優(yōu)化編譯。

RISC技術(shù)
ARM體系結(jié)構(gòu)還采用了一些特別的技術(shù)：
所有的指令都可根據(jù)前面的執(zhí)行結(jié)果決定是否被執(zhí)行，提高了指令的執(zhí)行效率。
可用Load/Store指令批量傳輸數(shù)據(jù)，以提高數(shù)據(jù)的傳輸效率。
可在一條數(shù)據(jù)處理指令中同時完成邏輯處理和移位處理。
RISC和CISC各有優(yōu)勢，界限并不那么明顯。
現(xiàn)代的CPU往往采用CISC的外圍，內(nèi)部加入了RISC的特性，如超常指令集CPU就是融合了RISC和CISC的優(yōu)勢，成為未來的CPU發(fā)展方向之一。

流水線技術(shù)
是一種將每條指令分解為多步，并讓各步操作重疊，從而實現(xiàn)幾條指令并行處理的技術(shù)；
程序中的指令仍是一條條順序執(zhí)行，但可以預先取若干條指令，并在當前指令尚未執(zhí)行完時，提前啟動后續(xù)指令的另一些操作步驟，從而可加快程序的運行速度；

開發(fā)和設(shè)計嵌入式系統(tǒng)的過程中，CPU的性能是一個非常重要的考慮因素。
流水線技術(shù)是在本質(zhì)上影響程序執(zhí)行速度的因素。
由于計算機中一條指令的各個執(zhí)行階段相對獨立，因此，現(xiàn)代CPU大多設(shè)計成流水線型的機器，在這種類型機器中幾個指令可以并行執(zhí)行。采用流水線的重疊技術(shù)大大提高了CPU的運行效率。
當流水線內(nèi)部的信息通暢流動時，CPU流水線能夠工作得最好。
但實際應(yīng)用中，指令各執(zhí)行階段的操作時間長短不同，有一些指令序列可能會打斷流水線內(nèi)的信息流，所以有時流水線操作不十分通暢，會暫時降低CPU的執(zhí)行速度。

單周期指令的執(zhí)行過程

ARM的3級流水線
ARM7架構(gòu)采用了一個3段的流水線：
（1）取指：將指令從內(nèi)存中取出來。
（2）譯碼：操作碼和操作數(shù)被譯碼以決定執(zhí)行什么功能。為下一周期準備數(shù)據(jù)路徑需要的控制信號。這一級指令”占有“譯碼邏輯，而不是”占有”數(shù)據(jù)路徑
（3）執(zhí)行：執(zhí)行已譯碼的指令。指令占有數(shù)據(jù)路徑，寄存器堆棧被讀取，操作數(shù)在桶行移位器中被移位。ALU產(chǎn)生運算結(jié)果并回寫到目的寄存器中，ALU結(jié)果根據(jù)指令需求更改狀態(tài)寄存器的條件位。

流水線模式下PC的更改過程

多周期ARM指令的3級流水線操作
數(shù)據(jù)路徑涉及到所有執(zhí)行周期、地址計算和數(shù)據(jù)傳送。譯碼邏輯總是產(chǎn)生數(shù)據(jù)路徑在下一個周期使用的控制信號，因此除譯碼周期以外，在STR地址計算周期也產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳送所需的控制信號。
取指的存儲器訪問和執(zhí)行的數(shù)據(jù)路徑占用都是不可同時共享的資源，對于多周期指令來說，如果指令復雜以至于不能在單個時鐘周期內(nèi)完成執(zhí)行階段，就會產(chǎn)生流水線阻塞。

ARM的流水線設(shè)計問題
1）縮短程序執(zhí)行時間:

Tprog：執(zhí)行一個程序所需時間；
Ninst：執(zhí)行該程序的指令條數(shù)；
CPI：執(zhí)行每條指令的平均時鐘周期數(shù)；
Fclk：處理器的時鐘頻率。
措施：
提高時鐘頻率fclk（導致流水線的級數(shù)增加 ）。
減少每條指令的平均時鐘周期數(shù)CPI（需要解決流水線的相關(guān)問題 ）
2）解決流水線相關(guān):
結(jié)構(gòu)相關(guān)：某些指令在流水線中重疊執(zhí)行時，產(chǎn)生資源沖突 。
措施：1）采用分離式指令Cache和數(shù)據(jù)Cache。2）ALU中采用單獨加法器來完成地址計算。
數(shù)據(jù)相關(guān)：當一條指令需要前面指令的執(zhí)行結(jié)果，而這些指令均在流水線中重疊執(zhí)行時，就可能引起流水線的數(shù)據(jù)相關(guān)。
數(shù)據(jù)相關(guān)有“寫后讀”、“寫后寫”和“讀后寫”等。
措施：1）旁路技術(shù)。2）流水線互鎖技術(shù)。
控制相關(guān)：當流水線遇到分支指令和其他會改變PC值的指令時，就會發(fā)生控制相關(guān)。
措施：1）引入延時分支。2）盡早計算出分支轉(zhuǎn)移成功時的PC值（即分支的目標地址）。

ARM的5級流水線
ARM9和StrongARM架構(gòu)都采用了5級流水線.
增加了I-Cache和D-Cache，把存儲器的取指與數(shù)據(jù)存取分開；
增加了數(shù)據(jù)寫回的專門通路和寄存器；
把指令的執(zhí)行過程分割為5部分:
取指：將指令從指令存儲器中取出，放入指令流水線中。
指令譯碼：對指令進行譯碼，從寄存器堆中讀取寄存器操作數(shù)。
執(zhí)行：把一個操作數(shù)移位，產(chǎn)生ALU結(jié)果。如果指令是Load或Store，在ALU中計算存儲器的地址。
數(shù)據(jù)緩存：如果需要，訪問數(shù)據(jù)存儲器；否則，ALU的結(jié)果只是簡單地緩沖一個時鐘周期，以便使所有指令具有同樣地流水線流程。
寫回 ：將指令產(chǎn)生地結(jié)果寫回到寄存器堆。

流水線對比

超標量執(zhí)行

通過重復設(shè)置多套指令執(zhí)行部件，同時處理并完成多條指令，實現(xiàn)并行操作，來達到提高處理速度的目的。
所有ARM內(nèi)核，包括流行的ARM7、ARM9和ARM11等，都是單周期指令機。
ARM公司下一代處理器將是每周期能處理多重指令的超標量機。
超標量處理機：一個時鐘周期內(nèi)同時執(zhí)行多條指令的處理機。

超標量處理器中的多指令單元
超標量與流水線技術(shù)是兼容的，為了能夠在一個時鐘周期內(nèi)同時發(fā)射多條指令，超標量處理機必須有兩條或兩條以上能夠同時工作的指令流水線。但與此同時，也帶來了多流水線的調(diào)度問題和操作部件的資源沖突問題。
超標量處理器在執(zhí)行的過程中必須動態(tài)地檢查指令相關(guān)性。
如果代碼中有分支指令,必須將分支被執(zhí)行和分支不被執(zhí)行這兩種情況分開考慮。
計算執(zhí)行時間幾乎是不可能的。