ARM (архитектура) - Архитектура

Уже давно существует справочное руководство по архитектуре ARM, которое разграничивает все типы интерфейсов, которые поддерживает ARM, так как детали реализации каждого типа процессора могут отличаться. Архитектура развивалась с течением времени, и начиная с ARMv7 были определены 3 профиля: ‘A’ — приложения, ‘R’ — в реальном времени,’M’ — микроконтроллер.

Профили могут поддерживать меньшее количество команд.

Режимы

Процессор может находиться в одном из следующих операционных режимов:

Переключение режима процессора происходит при возникновении соответствующего исключения, или же модификацией регистра статуса.

Набор команд

Чтобы сохранить дизайн чистым, простым и быстрым, оригинальное изготовление ARM было исполнено без микрокода, как и более простой 8-разрядный процессор 6502, используемый в предыдущих микрокомпьютерах от Acorn.

Функции RISC

Архитектура ARM содержит следующие особенности RISC:

Чтобы компенсировать простой дизайн, в сравнении с современными процессорами вроде Intel 80286 или Motorola 68020 были использованы некоторые особенности дизайна:

Условное исполнение

Одним из существенных отличий архитектуры ARM от других архитектур ЦПУ является так называемая предикация — возможность условного исполнения команд. Под «условным исполнением» здесь понимается то, что команда будет выполнена или проигнорирована в зависимости от текущего состояния флагов состояния процессора.

В то время как для других архитектур таким свойством, как правило, обладают только команды условных переходов, в архитектуру ARM была заложена возможность условного исполнения практически любой команды. Это было достигнуто добавлением в коды их инструкций особого 4-битового поля. Одно из его значений зарезервировано на то, что инструкция должна быть выполнена безусловно, а остальные кодируют то или иное сочетание условий. С одной стороны, с учётом ограниченности общей длины инструкции, это сократило число бит, доступных для кодирования смещения в командах обращения к памяти, но с другой — позволило избавляться от инструкций ветвления при генерации кода для небольших if-блоков.

Пример, обычно рассматриваемый для иллюстрации — основанный на вычитании алгоритм Евклида. В языке C он выглядит так:

    while 
    {
       if 
           i -= j;
       else
           j -= i;
    }

loop CMP Ri, Rj; set condition «NE» if,
                            ;               "GT" if,
                            ;            or "LT" if
        SUBGT  Ri, Ri, Rj   ; if "GT", i = i-j;
        SUBLT  Rj, Rj, Ri   ; if "LT", j = j-i;
        BNE    loop         ; if "NE", then loop

Из кода видно, что использование предикации позволило полностью избежать ветвления в операторах else и then. Заметим, что если Ri и Rj равны, то ни одна из SUB инструкций не будет выполнена, полностью убирая необходимость в ветке, реализующей проверку while при каждом начале цикла, что могло быть реализовано, например, при помощи инструкции SUBLE.

Один из способов, которым уплотнённый код достигает большей экономии объёма — это именно удаление 4-битового предиката из всех инструкций, кроме ветвлений.

Другие особенности

Другая особенность набора команд это возможность соединять сдвиги и вращения в инструкции «обработки информации» так, что, например выражение С:

 a += ;

может быть преобразовано в команду из одного слова и одного цикла в ARM:

ADD Ra, Ra, Rj, LSL #2

Это приводит к тому, что типичные программы ARM становятся плотнее, чем обычно, с меньшим доступом к памяти. Таким образом, конвейер используется гораздо более эффективно. Даже несмотря на то, что ARM работает на скоростях, которые многие бы сочли низкими, он довольно-таки легко конкурирует с многими более сложными архитектурами ЦПУ.

ARM процессор также имеет некоторые особенности, редко встречающиеся в других архитектурах RISC — такие, как адресация относительно счетчика программ, а также пре- и пост-инкрементные режимы адресации.

Другая особенность, которую стоит отметить, это то, что некоторые ранние ARM процессоры, например, не имеют команд для хранения 2-байтных чисел. Таким образом, строго говоря, для них невозможно сгенерировать эффективный код, который бы вел себя так, как ожидается от объектов С, типа «volatile int16_t».

Конвейер и другие аспекты реализации

ARM7 и более ранние версии имеют трехступенчатый конвейер. Это ступени переноса, декодирования и исполнения. Более производительные архитектуры, типа ARM9, имеют более сложные конвейеры. Cortex-a8 имеет 13-ступенчатый конвейер.

Сопроцессоры

Архитектура предоставляет способ расширения набора команд, используя сопроцессоры, которые могут быть адресованы, используя MCR, MRC, MRRC, MCRR и похожие команды. Пространство сопроцессора логически разбито на 16 сопроцессоров с номерами от 0 до 15, причем 15й зарезервирован для некоторых типичных функций управления, типа управления кэш-памятью и MMUоперации.

В машинах на основе ARM периферийные устройства обычно подсоединяются к процессору путем сопоставления их физических регистров в памяти ARM или в памяти сопроцессора, или путем присоединения к шинам, которые в свою очередь подсоединяются к процессору. Доступ к сопроцессорам имеет большее время ожидания, поэтому некоторые периферийные устройства проектируются для доступа в обоих направлениях. В остальных случаях разработчики чипов лишь пользуются механизмом интеграции сопроцессора. Например, движок обработки изображений должен состоять из малого ядра ARM7TDMI, совмещенного с сопроцессором, который поддерживает примитивные операции по обработке элементарных кодировок HDTV.

Режим Thumb

Для улучшения плотности кода процессоры, начиная с ARM7TDMI, снабжены режимом «thumb». В этом режиме процессор выполняет альтернативный набор 16-битных команд. Большинство из этих 16-разрядных команд переводятся в нормальные команды ARM. Уменьшение длины команды достигается за счет сокрытия некоторых операндов и ограничения возможностей адресации по сравнению с режимом полного набора команд ARM.

В режиме Thumb меньшие коды операций обладают меньшей функциональностью. Например, только ветвления могут быть условными, и многие коды операций имеют ограничение на доступ только к половине главных регистров процессора. Более короткие коды операций в целом дают большую плотность кода, хотя некоторые операции требуют дополнительных команд. В ситуациях, когда порт памяти или ширина шины ограничены 32 битами, более короткие коды операций режима Thumb становятся гораздо производительнее по сравнению с обычным 32-битным ARM кодом, так как меньший программный код придется загружать в процессор при ограниченной пропускной способности памяти.

Аппаратные средства типа Game Boy Advance, как правило, имеют небольшой объем оперативной памяти доступной с полным 32-битным информационным каналом. Но большинство операций выполняется через 16-битный или более узкий информационный канал. В этом случае имеет смысл использовать тумбовый код и вручную оптимизировать некоторые тяжелые участки кода, используя переключение в режим полных 32-битных инструкций ARM.

Первым процессором с декодером тумбовых команд был ARM7TDMI. Все процессоры семейства ARM9, а также XScale, имели встроенный декодер тумбовых команд.

Jazelle

Jazelle — это метод, который позволяет байткоду Java исполняться прямо в архитектуре ARM в качестве 3го состояния исполнения наряду с обычными командами ARM и режимом бегунка. Поддержка этого свойства обозначается буквой «J» в названии процессора — например, ARMv5TEJ. Необходимость такой поддержки появляется начиная с процессоров ARMv6, хотя новые ядра лишь содержат тривиальные реализации, которые не поддерживают аппаратного ускорения.

Thumb-2

Thumb-2 — технология, стартовавшая с ARM1156 core, анонсированного в 2003 году. Он расширяет ограниченный 16-битный набор команд Thumb дополнительными 32-битными командами, чтобы задать набору команд дополнительную ширину. Цель Thumb-2 — достичь плотности кода как у Thumb, и производительности как у набора команд ARM на 32 битах. Можно сказать, что в ARMv7 эта цель была достигнута.

Thumb-2 расширяет как команды ARM, так и команды Thumb еще большим количеством команд, включая управление битовым полем, табличное ветвление, условное исполнение. Новый язык «Unified Assembly Language» поддерживает создание команд как для ARM, так и для Thumb из одного и того же исходного кода. Версии Thumb на ARMv7 выглядят как код ARM. Это требует осторожности и использования новой команды if-then, которая поддерживает исполнение до 4 последовательных команд испытываемого состояния. Во время компиляции в ARM код она игнорируется, но во время компиляции в код Thumb-2 генерирует команды. Например:

; if
CMP r0, r1
ITE EQ        ; ARM: no code ... Thumb: IT instruction
; then r0 = r2;
MOVEQ r0, r2  ; ARM: conditional; Thumb: condition via ITE 'T'
; else r0 = r3;
MOVNE r0, r3  ; ARM: conditional; Thumb: condition via ITE 'E'
; recall that the Thumb MOV instruction has no bits to encode "EQ" or "NE"

Все чипы ARMv7 поддерживают набор команд Thumb-2, а некоторые чипы, вроде Cortex-m3, поддерживают только Thumb-2. Остальные чипы Cortex и ARM11 поддерживают наборы команд как Thumb-2, так и ARM.

Усовершенствованный SIMD

Расширение усовершенствованного SIMD, также называемое технологией NEON — это комбинированный 64- и 128-битный набор команд SIMD, который обеспечивает стандартизованное ускорение для медиа приложений и приложений обработки сигнала. NEON может выполнять декодирование аудио формата mp3 на частоте процессора в 10Мгц, и может работать с речевым кодеком GSM AMR на частоте более чем 13Мгц. Он обладает внушительным набором команд, отдельными регистровыми файлами, и независимой системой исполнения на аппаратном уровне. NEON поддерживает 8-,16-,32-,64-битную информацию целого типа, одинарной точности и с плавающей точкой, и работает в операциях SIMD по обработке аудио и видео. В NEON SIMD поддерживает до 16 операций единовременно.

VFP

Технология VFP — это расширение сопроцессора в архитектуре ARM. Она производит низкозатратные вычисления над числами с плавающей запятой одинарной двойной точности, в полной мере соответствующие стандарту ANSI/IEEE Std 754—1985 Standard for Binary Floating-Point Arithmetic.VFP производит вычисления с плавающей точкой, подходящие для широкого спектра приложений — например, для КПК, смартфонов, сжатие звука, 3д-графики и цифрового звука, а также принтеров и телеприставок. Архитектура VFP также поддерживает исполнение коротких векторных команд. Но, поскольку процессор выполняет операции последовательно над каждым элементом вектора, то VFP нельзя назвать истинным SIMD набором инструкций. Этот режим может быть полезен в графике и приложениях обработки сигнала, так как он позволяет уменьшить размер кода и выработку команд.

Другие сопроцессоры с плавающей точкой и/или SIMD, находящиеся в ARM процессорах включают в себя FPA, FPE, iwMMXt. Они обеспечивают ту же функциональность, что и VFP, но не совместимы с ним на уровне опкода.

Расширения безопасности

Расширения безопасности, позиционируемые как TrustZone Technology, находятся в ARMv6KZ и других, более поздних, профилированных на приложениях архитектурах. Оно обеспечивает низкозатратную альтернативу добавлению специального ядра безопасности, обеспечивая 2 виртуальных процессора, поддерживаемых аппаратным контролем доступа. Это позволяет ядру приложения переключаться между двумя состояниями, называемыми «миры», чтобы не допустить утечку информации из более важного мира в менее важный. Этот переключатель миров обычно ортогонален всем другим возможностям процессора. Таким образом, каждый мир может работать независимо от других миров, используя одно и то же ядро. Память и периферия соответственно изготавливаются с учетом особенностей мира ядра, и могут использовать это, чтобы получить контроль доступа к секретам и кодам ядра. Типичные приложения TrustZone Technology должны запускать полноценную операционную систему в менее важном мире, и компактный, специализированный на безопасности, код в более важном мире, позволяя Digital Rights Management’у намного точнее контролировать использование медиа на устройствах на базе ARM, и предотвращая несанкционированный доступ к устройству.

На практике же, так как конкретные детали реализации TrustZone остаются собственностью компании и не разглашаются, остается неясным, какой уровень безопасности гарантируется для данной модели угрозы.

Отладка

Все современные процессоры ARM включают аппаратные средства отладки, так как без них отладчики ПО не смогли бы выполнить самые базовые операции типа остановки, отступа, установка контрольных точек после перезагрузки.

Архитектура ARMv7 определяет базовые средства отладки на архитектурном уровне. К ним относятся точки останова, точки просмотра и выполнение команд в режиме отладки. Такие средства были также доступны с модулем отладки EmbeddedICE. Поддерживаются оба режима — остановки и обзора. Реальный транспортный механизм, который используется для доступа к средствам отладки, не специфицирован архитектурно, но реализация, как правило, включает поддержку JTAG.

Существует отдельная архитектура отладки «с обзором ядра», которая не требуется архитектурно процессорами ARMv7.

Регистры

ARM предоставляет 31 регистр общего назначения разрядностью 32 бит. В зависимости от режима и состояния процессора пользователь имеет доступ только к строго определённому набору регистров. В ARM state разработчику постоянно доступны 17 регистров:

Во всех режимах, кроме User mode и System mode, доступен также Saved Program Status Register. После возникновения исключения регистр CPSR сохраняется в SPSR. Тем самым фиксируется состояние процессора на момент непосредственно перед прерыванием.

Работа с памятью

Поддерживаемые системы ввода-вывода

В большинстве существующих моделей микропроцессоров реализована шина PCI и возможность работы с внешней динамической оперативной памятью. В процессорах, предназначенных для потребительских устройств, также обычно интегрируются: контроллеры шин USB, IIC, AC’97-совместимое звуковое устройство, устройство для работы с флэш-носителями стандарта SD и MMC, контроллер последовательного порта.

Все процессоры имеют линии ввода-вывода общего назначения. В потребительских устройствах к ним могут быть подключены кнопки «быстрого запуска», сигнальные светодиоды, колесо прокрутки, клавиатура.

Интернет магазин китайских планшетных компьютеров

Компьютеры - ARM (архитектура) - Архитектура