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[導讀]一顆主要用于路由器的Conexant ARM處理器是Acorn電腦公司(Acorn Computers Ltd)于1983年開始的開發(fā)計劃。

一顆主要用于路由器的Conexant ARM處理器是Acorn電腦公司(Acorn Computers Ltd)于1983年開始的開發(fā)計劃。這個團隊由Roger Wilson和Steve Furber帶領,著手開發(fā)一種新架構,類似進階的MOS Technology 6502處理器。Acorn有一大堆建構在6502架構上的電腦,因此能設計出一顆類似的芯片即意味著對公司有很大的優(yōu)勢。團隊在1985年時開發(fā)出ARM1 Sample版,而首顆"真正"的產能型ARM2于次年量產。ARM2具有32位的數據總線、26位的尋址空間,并提供64 Mbyte的尋址范圍與16個32-bit的暫存器。這些暫存器其中有一顆做為(word大小)程式計數器,其前面6 bits和后面2 bits用來保存處理器狀態(tài)標記(Processor Status Flags)。ARM2可能是全世界最簡單實用的32位微處理器,其僅容納了30,000個晶體管(相較于Motorola六年后的68000其包含了70,000顆)。

ARM架構的歷史

之所以精簡的原因在于它不含微碼(請參閱microcode)(這表示大概只有68000的1/3至1/4),而與現今大多數的 CPU 不同,它沒有包含任何的高速緩存。這個精簡的特色使它只需消耗很少的電能,卻能發(fā)揮比 Intel 80286 更好的效能。后繼的處理器ARM3更備有4KB的高速緩存,使它能發(fā)揮更佳的效能。在1980年代晚期,蘋果電腦開始與Acorn合作開發(fā)新版的ARM核心,由于這專案非常重要,Acorn甚至于1990年將設計團隊另組成一間名為安謀國際科技(Advanced RISC Machines Ltd.)的新公司。也基于這原因,使得ARM有時候反而稱作Advanced RISC Machine而不是Acorn RISC Machine。由于其母公司ARM Holdings plc于1998年的倫敦交易市場和NASDAQ掛牌上市,使得Advanced RISC Machines成了ARM Ltd旗下擁有的產品。這個專案到后來進入了ARM6,首版的式樣在1991年釋出,然后蘋果電腦使用ARM6架構的ARM 610來當作他們Apple Newton PDA的基礎。在1994年,Acorn使用ARM 610做為他們Risc PC電腦內的CPU。在這些變革之后,內核部份卻大多維持一樣的大小。ARM2有30,000顆晶體管,但ARM6卻也只增長到35,000顆。主要概念是以ODM的方式,使ARM核心能搭配一些選配的零件而制成一顆完整的CPU,而且可在現有的晶圓廠里制作并以低成本的方式達到很大的效能。ARM的經營模式在于出售其知識產權核(IP core),授權廠家依照設計制作出建構于此核的微控制器和中央處理器。最成功的實作案例屬 ARM7TDMI,幾乎賣出了數億套內建微控制器的裝置。DEC 購買這個架構的產權(此處會造成混淆在于其本身也制造 DEC Alpha 并研發(fā)出StrongARM。在 233 MHz 的頻率下,這顆 CPU 只消耗一瓦特的電能(后來的芯片消耗得更少)。這項設計后來為了和 Intel 的控訴和解而技術移轉,Intel 因而趁機以 StrongARM 架構補強他們老舊的 i960 產線。Intel 后來開發(fā)出他們自有的高效能實作,稱作XScale,之后也賣給了 Marvell。

支援智能型手機、PDA和其他手持裝置最常見的架構是ARMv4。XScale 和 ARM926 處理器是ARMv5TE,而且比起建構在 ARMv4 的 StrongARM、ARM925T 和 ARM7TDMI 等處理器還更常見于許多高階裝置上。架構版本如下欄所示。設計文件講求精簡又快速的設計方式,整體電路化卻又不采用微碼,就像早期使用在Acorn微電腦的8位6502處理器。ARM架構包含了下述RISC特性:讀取/儲存 架構不支援地址不對齊內存存取(ARMv6內核現已支持)正交指令集(任意存取指令可以任意的尋址方式存取數據Orthogonal instruction set)大量的16 × 32-bit 寄存器陣列(register file)固定的32 bits 操作碼(opcode)長度,降低編碼數量所產生的耗費,減輕解碼和流水線化的負擔。大多均為一個CPU周期執(zhí)行。為了補強這種簡單的設計方式,相較于同時期的處理器如Intel 80286和Motorola 68020,還多加了一些特殊設計:大部分指令可以條件式地執(zhí)行,降低在分支時產生的負重,彌補分支預測器(branch predictor)的不足。算數指令只會在要求時更改條件編碼(condition code)32-bit筒型位移器(barrel shifter)可用來執(zhí)行大部分的算數指令和尋址計算而不會損失效能強大的索引尋址模式(addressing mode)精簡但快速的雙優(yōu)先級中斷子系統(tǒng),具有可切換的暫存器組有個附加在ARM設計中好玩的東西,就是使用一個4-bit 條件編碼 在每個指令前頭,表示每支指令的執(zhí)行是否為有條件式的這大大的減低了在內存存取指令時用到的編碼位,換句話說,它避免在對小型敘述如if做分支指令。有個標準的范例引用歐幾里得的最大公因子算法:在C編程語言中,循環(huán)為:int gcd (int i, int j){while (i != j)if (i > j)i -= j;elsej -= i;return i;}在ARM 匯編語言中,循環(huán)為:loop CMP Ri, Rj ; 設定條件為 "NE"(不等於) if (i != j); "GT"(大於) if (i > j),; or "LT"(小於) if (i < j)SUBGT Ri, Ri, Rj ; 若 "GT"(大於), i = i-j;SUBLT Rj, Rj, Ri ; 若 "LT"(小於), j = j-i;BNE loop ; 若 "NE"(不等於),則繼續(xù)回圈這避開了then和else子句之間的分支。

另一項指令集的特色是,能將位移(shift)和回轉(rotate)等功能并成"資料處理"型的指令(算數、邏輯、和暫存器之間的搬移),因此舉例來說,一個C語言的敘述a += (j << 2);在ARM之下,可簡化成只需一個word和一個cycle即可完成的指令ADD Ra, Ra, Rj, LSL #2這結果可讓一般的ARM程式變得更加緊密,而不需經常使用內存存取,流水線也可以更有效地使用。即使在ARM以一般認定為慢速的速度下執(zhí)行,與更復雜的CPU設計相比它仍能執(zhí)行得不錯。ARM處理器還有一些在其他RISC的架構所不常見到的特色,例如PC-相對尋址(的確在ARM上PC為16個暫存器的其中一個)以及 前遞加或后遞加的尋址模式。另外一些注意事項是 ARM 處理器會隨著時間,不斷地增加它的指令集。某些早期的 ARM 處理器(比ARM7TDMI更早),譬如可能并未具備指令可以讀取兩 Bytes 的數量,因此,嚴格來講,對這些處理器產生程式碼時,就不可能處理如 C 語言物件中使用 "volatile short" 的資料型態(tài)。ARM7 和大多數較早的設計具備三階段的流水線化(Pipeline):提取指令、解碼,并執(zhí)行。較高效能的設計,如 ARM9,則有五階段的流水線化。

提高效能的額外方式,包含一顆較快的加法器,和更廣的分支預測邏輯線路。這個架構使用“協處理器”提供一種非侵入式的方法來延伸指令集,可透過軟件下 MCR、MRC、MRRC和MCRR 等指令來對協處理器尋址。協處理器空間邏輯上通常分成16個協處理器,編號分別從 0 至 15 ,而第15號協處理器(CP15)是保留用作某些常用的控制功能,像是使用高速緩存和記憶管理單元運算(若包含于處理器時)。在 ARM 架構的機器中,周邊裝置連接處理器的方式,通常透過將裝置的實體暫存器對應到 ARM 的內存空間、協處理器空間,或是連接到另外依序接上處理器的裝置(如總線)。協處理器的存取延遲較低,所以有些周邊裝置(例如 XScale 中斷控制器)會設計成可透過不同方式存取(透過內存和協處理器)。

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