ARM体系结构

Posted 2020-10-20 乔海权_429512***杭州

ARM 内核采用精简指令集结构（RISC，Reduced Instruction Set Computer）体系结构。其目标是设计出一套能在高时钟频率下单周期执行、简单而有效的指令集，RISC 的设计重点在于降低硬件执行指令的复杂度，这是因为软件比硬件容易提供更大的灵活性和更高的智能。与其相对的传统复杂指令级计算机（CISC）则更侧重于硬件执行指令的功能性，使 CISC 指令变得更复杂。

Thumb 指令集
ARM 处理器根据 RICS 原理设计，但是由于各种原因，在低代码密度上它比其他多数 RICS 要好一些，然
而它的代码密度仍不如某些 CISC 处理器。在代码密度重要的场合，ARM 公司在某些版本的 ARM 处理器
中加入了一个称为 Thumb 结构的新型机构。Thumb 指令集是原来 32 位 ARM 指令集的 16 位压缩形式，并
在指令流水线中使用了动态解压缩硬件。Thumb 代码密度优于多数 CISC 处理器达到的代码密度。

互锁 
在典型的程序处理过程中，经常会遇到这样的情形，即一条指令的结果被用做下一条指令的操作数。如例
2.4 所示。
【例 2.4】
有如下指令序列：
LDR r0,[r0,#0]
ADD r0,r0,r1 ;在 5 级流水线上产生互锁
从例 2.4 中可以看出，流水线的操作产生中断，因为第一条指令的结果在第二条指令取数时还没有产生。
第二条指令必须停止，直到结果产生为止。

在 ARM9TDMI 中使用了典型的 5 级流水线。ARM9TDMI 的组织结构如图 2.7 所示。
5 级流水线包括下面的流水线级：
取指（fetch）：从存储器中取出指令，并将其放入指令流水线。
译码（decode）：指令被译码，从寄存器堆中读取寄存器操作数。在寄存器堆中有 3 个操作数读端口，
因此，大多数 ARM 指令能在 1 个周期内读取其操作数。
执行（execute）：将其中一个操作数移位，并在 ALU 中产生结果。如果指令是 Load 或 Store 指令，则
在 ALU 中计算存储器的地址。
缓冲/数据（buffer/data）：如果需要则访问数据存储器，否则 ALU 只是简单地缓冲一个时钟周期。
回写（write-back）：将指令的结果回写到寄存器堆，包括任何从寄存器读出的数据。