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arm編譯器構架分析

2019-11-13

一、引言　　隨著近兩年各種智能手機、平板電腦、車載電子等各種消費品的蓬勃發展，ARM編譯器體系結構的處理器，作為這些消費品的處理核心，也得到了長足的進步，甚至擊敗了Intel，在移動嵌入式領域獨占鰲頭。本文將首先介紹ARM編譯器體系結構的發展歷程，然后將著重梳理其先進的Cortex系列處理器的體系結構，以及這些結構對于各種軟件平臺如JAVA、.NET的支持等。二、 ARM編譯器體系結構的歷史即其新進展　　2.1 ARM編譯器體系結構市場前景來自英國的ARM（Acorn RISC Machine）公司雖然以ARM編譯器處理器著稱，但是它獨特的商業模式卻決定了ARM編譯器公司本身并不生產處理器，這點與從研發到生產到出貨垂直整合的Intel公司有很大不同，ARM編譯器公司采取的是授權與提成的商業模式（Intellectual Property Core 簡寫IP-Core）：公司自己研發處理器體系架構，然后將這套架構的知識產權有償授權給處理器制造廠商如高通、三星等半導體廠商，這些廠商造出的每一塊使用ARM體系結構的芯片只需向ARM編譯器公司交付低廉的提成即可。由于這種創新的商業模式和低廉的成本，加上ARM編譯器體系的低功耗特點，讓ARM編譯器體系在對價格敏感和續航能力敏感的32位嵌入式電子消費品市場如虎添翼，基本占據了32位嵌入式消費平的市場份額。發展到如今，ARM編譯器芯片甚至在對運算速度要求更高的的上網本、平板電腦也大有跟Intel的ATOM處理器一較高低的實力。近來紅得發紫的蘋果iPad就是采用的ARM深度定制的一款處理器架構，其它還有很多運行著Android系統的平板產品、智能手機產品等也都采用ARM體系結構的處理核心。由此可見ARM編譯器體系結構在移動電子消費品市場無與倫比的優勢。 ?????? 　　 2.2 ARM編譯器體系發展歷史　　1985——誕生了第一顆ARM編譯器芯片，ARM1 Sample版。　　1986——ARM2，具有32位數據總線，26位地址總線，16個32位寄存器的處理器實現產能量產。　　20世紀80年代晚期——蘋果電腦開始與Acorn合作開發新版的ARM編譯器核心。　　1991——與蘋果的合作造就了ARM6，并進入了蘋果的Apple Newton PDA和Acorn Risc-PC成為了它們的處理器。在該年正式成立了ARM公司，作為Acorn的一家子公司。　　1991——至今ARM的產品已經橫貫應用程序處理器，嵌入式處理器，專家系統等各種計算領域，成為了移動電子消費品市場、復雜工業控制應用的處理器體系架構。　　2.3 ARM編譯器產品系列簡介　　??2.3.1 經典ARM 處理器　　??這一系列包括的處理器架構有：　　l ARM11 系列 —— 基于ARMv6 體系結構的高性能處理器　　l ARM9 系列 —— 基于ARMv5 體系結構的常用處理器　　l ARM7 系列 —— 面向普通應用的經典處理器　　該系列適用于那些希望在新應用中追求穩定的產品。這些處理器提供了許多的特性、卓越的功效和范圍廣泛的操作能力，適用于成本敏感型解決方案。這些處理器每年都有數十億的發貨量，因此可確保設計者獲得體系和資源，從而減少集成過程中出現的問題并縮短上市時間。　　2.3.2 ARM編譯器 Cortex 嵌入式處理器　　這一系列的處理器架構有：　　l Cortex-R 系列 —— 面向實時應用的卓越性能　　l Cortex-M 系列 —— 面向具有確定性的微控制器應用的成本敏感型解決方案　　Cortex-M 系列處理器主要是針對微控制器領域開發的，在該領域中，既需進行快速且具有高確定性的中斷管理，又需將門數和可能功耗控制在最低；而Cortex-R 系列處理器的開發則面向深層嵌入式實時應用，對低功耗、良好的中斷行為、卓越性能以及與現有平臺的高兼容性這些需求進行了平衡考慮。　　?2.3.3 ARM編譯器 Cortex 應用程序處理器　　這一系列包括的處理器架構只有　　l Cortex-A 系列- 開放式操作系統的高性能處理器　　Cortex-A在高級工藝節點中可實現高達2GHZ+的主頻，也正是由于如此卓越的性能，該處理器架構可用于下一代Internet設備，而且該系列提供單核和多核多種種類，并且提供NEON多媒體處理模塊的四種選擇和高級浮點執行單元和處理單元。　?　2.3.4 ARM編譯器專家處理器　　這一系列包括的處理器架構只有　　l SecurCore - 面向高安全性應用的處理器　　l FPGA 內核- 面向FPGA 的處理器　　該系列的處理器主要是為了滿足一些特定市場的苛刻需求。SecurCore可以用于手機SIM卡和其他識別應用，集成了多種既可以為用戶提供卓越性能，又可以檢測和避免安全攻擊的技術。 2.4 ARM指令集　　談到ARM編譯器的指令系統，必須先明確一點的就是，ARM編譯器體系結構不同于x86，它是RISC（Reduced InstrucTIon Set Computer）體系結構。所以，在ARM指令體系中，各指令相對來說更加規整、對稱、簡單。而且指令小于100條，基本尋址方式只有2~3中，而且指令字長都比較一直，并都在單個時鐘周期內完成，以便于流水操作。在ARM7中采用的是3級流水線：取值、譯碼、執行。而ARM9和ARM10則是五級流水線和六級流水線。ARM編譯器的訪存采用的都是LOAD-STORE結構，這樣可以把每條指令的執行時間都平均化，有助于高效的流水線的實現，采用這種結構也就同時意味著指令都要在寄存器間進行操作，所以ARM體系中有大量的寄存器（不少于32個）。　　?2.4.1 ARM編譯器指令與Thumb指令　　ARM編譯器指令集可以是32位長的ARM指令，也可以是16位長的Thumb指令，這主要是為了兼容數據總線為16位的應用系統。所有的Thumb指令都有對應的ARM指令，Thumb只是ARM的一個真子集，而且Thumb指令舍棄了ARM指令集的一些特性，如大多數Thumb指令都是無條件執行的，而幾乎所有的ARM指令都是有條件執行的，又如大多數的Thumb指令由于長度有限，目的寄存器是源寄存器中的一個，這跟x86的匯編指令集相似。　　Thumb指令的優點在于它可以在保留32位代碼優勢的同時，大大節省系統的存儲空間，因為在Thumb指令集中的操作數仍然是32位的，指令地址也是32位的，只是指令編碼變成了16位，而ARM指令則為32位，所以，相比之下，實現同樣的功能，Thumb指令的條數要比ARM略多，Thumb的存儲空間僅僅是ARM存儲空間的60%~70%，但是Thumb的指令條數比ARM指令條數多30%~50%，如果使用32位的存儲器，由于指令條數較少等原因，ARM指令會比Thumb指令快40%左右，而使用16位存儲器時，Thumb指令則會快40%~50%。同時與ARM比較Thumb指令的功耗會降低約30%。但是Thumb指令也有其局限性。第一、偏移范圍，在Thumb指令中條件轉移偏移只有8位，也就是說只能在256Byte的范圍內有條件地轉移，在無條件轉移中可以有16位的偏移，而這些在ARM指令中都是32位，大大提高了靈活性。同時，在Thumb指令中不支持乘法和累加，沒有協處理器指令沒有信號量指令也沒有CPSR指令。　　在面臨二者的取舍的時候，同其它無數的案例一樣，發揮各自的長處是完美的解法。如果系統對性能要求較高，應采用32位的存儲器和ARM編譯器指令集，而對功耗和成本要求較高，則應使用Thumb指令集。但是如果兩者結合使用，讓它們充分發揮各自的優點，則會取得更好的效果。　　ARM編譯器指令的基本格式如下：　　《opcode》 {《cond》} {S} 《Rd》，《Rn》{，《operand2》} 　　其中《》號內的項是必須的，{}號內的項是可選的，opcode為指令助記符；cond是該動作的執行條件；S表示影響CPSR寄存器（程序狀態寄存器）的值，如果不加則表示不影響 CPSR的值；Rd表示運算結果的目標寄存器；Rn表示第1個操作數的寄存器；operand2表示第2個操作數，可選。　　同時，ARM編譯器芯片還支持協處理器，在ARM指令集中有對協處理器的數據操作、數據讀取、數據寫入和CPU與協處理器的寄存器傳送的相應指令。　　2.5?ARM編譯器體系結構對運行平臺的支持 ——Jazelle技術　　運行Java虛擬機（JVM）解釋Java字節碼這種方式對大多數嵌入式應用來說占用空間過多，運行速度過慢。而系統發展的趨勢及市場的需求決定了Java應用需要有更強的圖形處理能力以及一個強大的Java虛擬機。于是催生出了Jazelle技術，從硬件上對Java虛擬機提供支持。 Jazelle DBX（Direct Bytecode eXecuTIon）是一種硬件架構擴展技術，為ARM處理器引入了第三套指令集—Java字節碼。新指令集建立了一種新的狀態，處理器在此狀態下處理Java字節碼取指令、譯碼和維護Java操作數棧等任務。允許它們在某些架構的硬件上加速執行Java字節碼，就如其他執行模式般，它能在現存的ARM編譯器與Thumb模式之間互相切換。為了降低芯片尺寸并提高性能，Jazelle DBX沒有設計成傳統形式的微引擎，而是融入流水線中的一個有限狀態機。　　Jazelle DBX技術增加了一條新的“Branch-to-Java”指令來進入Java狀態。此指令支持條件執行，先檢查條件標志，如果條件滿足，處理器進入Java狀態，跳轉到指定目標地址，開始執行Java字節碼。在Java狀態下，PC寄存器仍是32位尋址Java字節代碼。字節碼的取指、譯碼分別在兩個流水段完成（對應ARM/Thumb狀態下為一個譯碼流水級）。32位的取指令操作一次性可以取4個Java字節碼，性能優勢十分明顯，對于一個高度優化的商業Java虛擬機，運行評測程序或復雜的MIDP2.0應用，Jazelle DBX技術通常可帶來約2~4倍的性能提升。Jazelle DBX技術允許所有的Java指令是“可重新開始”的。這樣在執行Java指令過程中，即刻響應中斷，從而減少中斷延遲，確保實時性能。　　在ARM處理器的Java狀態下，有若干個ARM編譯器寄存器可以功能復用（包括棧指針、棧頂四項（top4 elements of stack）、局部變量0等）。正是這些硬件復用設計，才使得只用了很少的額外邏輯（約一萬兩千門）就實現了一個Java機。把所有Jazelle DBX擴展所需的狀態用ARM寄存器保存，也保證了和現有操作系統、中斷處理程序和異常處理代碼的兼容性。把棧頂四項保存在ARM寄存器中也能提高Java性能。大量的程序分析顯示，大多數程序的棧深度是很小的，所以這項策略可以盡量減少內存訪問，硬件也可自動處理棧溢出或下溢。　　和Java協處理器或其它專用Java處理器設計不同的是，Jazelle DBX和主處理器共用緩存，這一方面能夠降低功耗，而且還可以提高性能。另一個重要的設計考慮是確保Jazelle DBX技術不會影響實時中斷性能，仍保持與操作系統中已有ARM編譯器異常處理代碼的兼容。 ? ? 關于億道電子 ? ? 億道電子是國內全面的開發工具提供商, 致力于將全球先進的軟件產品引薦給國內研發型企業使用，為企業提供研發、設計、管理過程中使用的各種軟件工具，并致力于和客戶一同提高研發、設計效率，縮短設計周期。億道電子先后與ARM、Altium、Ansys、QT、TestPlant、CollabNet、Parasoft以及TouchGFX等多家全球知名公司建立戰略合作伙伴關系，并成為他們在中國區的重要分銷合作伙伴。 ? ? 億道電子專注開發、設計、管理工具數十年，客戶超過6000家，具有豐富的工具使用及客戶支持經驗積累，可以為客戶提供從ARM開發、EDA板級設計、軟件編譯及測試工具、結構設計工具、多物理場仿真工具以及嵌入式GUI工具等產品與服務。億道電子在北京、上海、深圳設有分公司，業務遍布全國。

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