ARM體系結(jié)構(gòu)研究(一)

Thumb指令的優(yōu)點在于它可以在保留32位代碼優(yōu)勢的同時，大大節(jié)省系統(tǒng)的存儲空間，因為在Thumb指令集中的操作數(shù)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(xiàn)同樣的功能，Thumb指令的條數(shù)要比ARM略多。圖2.1是“Add Rd，#Constant”在Thumb狀態(tài)和ARM狀態(tài)下的指令比較：

圖2.1 Thumb指令和ARM指令的比較

由上圖我們可以清楚地看到Thumb指令的精簡之處，所以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(shù)比ARM指令條數(shù)多30%~50%，如果使用32位的存儲器，由于指令條數(shù)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(zhuǎn)移偏移只有8位，也就是說只能在256Byte的范圍內(nèi)有條件地轉(zhuǎn)移，在無條件轉(zhuǎn)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(xié)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(shù)的案例一樣，發(fā)揮各自的長處是最完美的解法。如果系統(tǒng)對性能要求較高，應(yīng)采用32位的存儲器和ARM指令集，而對功耗和成本要求較高，則應(yīng)使用Thumb指令集。但是如果兩者結(jié)合使用，讓它們充分發(fā)揮各自的優(yōu)點，則會取得更好的效果。

ARM指令的基本格式如下：

{} {S} ,{,}

其中<>號內(nèi)的項是必須的，{}號內(nèi)的項是可選的，opcode為指令助記符；cond是該動作的執(zhí)行條件；S表示影響CPSR寄存器（程序狀態(tài)寄存器）的值，如果不加則表示不影響CPSR的值；Rd表示運算結(jié)果的目標寄存器；Rn表示第1個操作數(shù)的寄存器；operand2表示第2個操作數(shù)，可選。

同時，ARM芯片還支持協(xié)處理器，在ARM指令集中有對協(xié)處理器的數(shù)據(jù)操作、數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)寫入和CPU與協(xié)處理器的寄存器傳送的相應(yīng)指令。

ARM指令集詳細介紹見附錄A。

2.5ARM體系結(jié)構(gòu)對運行平臺的支持——Jazelle技術(shù)

運行Java虛擬機（JVM）解釋Java字節(jié)碼這種方式對大多數(shù)嵌入式應(yīng)用來說占用空間過多，運行速度過慢。而系統(tǒng)發(fā)展的趨勢及市場的需求決定了Java應(yīng)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(shù)，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(gòu)擴展技術(shù)，為ARM處理器引入了第三套指令集—Java字節(jié)碼。新指令集建立了一種新的狀態(tài)，處理器在此狀態(tài)下處理Java字節(jié)碼取指令、譯碼和維護Java操作數(shù)棧等任務(wù)。允許它們在某些架構(gòu)的硬件上加速執(zhí)行Java字節(jié)碼，就如其他執(zhí)行模式般，它能在現(xiàn)存的ARM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(shè)計成傳統(tǒng)形式的微引擎，而是融入流水線中的一個有限狀態(tài)機。如圖2.2所示

圖2.2加入了Java硬件加速的ARM流水線示意圖

Jazelle DBX技術(shù)增加了一條新的“Branch-to-Java”指令來進入Java狀態(tài)。此指令支持條件執(zhí)行，先檢查條件標志，如果條件滿足，處理器進入Java狀態(tài)，跳轉(zhuǎn)到指定目標地址，開始執(zhí)行Java字節(jié)碼。在Java狀態(tài)下，PC寄存器仍是32位尋址Java字節(jié)代碼。字節(jié)碼的取指、譯碼分別在兩個流水段完成（對應(yīng)ARM/Thumb狀態(tài)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(jié)碼，性能優(yōu)勢十分明顯，對于一個高度優(yōu)化的商業(yè)Java虛擬機，運行評測程序或復雜的MIDP2.0應(yīng)用，Jazelle DBX技術(shù)通?？蓭砑s2~4倍的性能提升。Jazelle DBX技術(shù)允許所有的Java指令是“可重新開始”的。這樣在執(zhí)行Java指令過程中，即刻響應(yīng)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(tài)下，有若干個ARM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(shè)計，才使得只用了很少的額外邏輯（約一萬兩千門）就實現(xiàn)了一個Java機。把所有Jazelle DBX擴展所需的狀態(tài)用ARM寄存器保存，也保證了和現(xiàn)有操作系統(tǒng)、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(shù)程序的棧深度是很小的，所以這項策略可以盡量減少內(nèi)存訪問，硬件也可自動處理棧溢出或下溢。

和Java協(xié)處理器或其它專用Java處理器設(shè)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(shè)計考慮是確保Jazelle DBX技術(shù)不會影響實時中斷性能，仍保持與操作系統(tǒng)中已有ARM異常處理代碼的兼容。圖2.3是在加入了Jazelle的ARM處理器中運行Java應(yīng)用的垂直架構(gòu)架圖。

圖2.3加入了Jazelle的ARM處理器上的Java應(yīng)用垂直架構(gòu)圖