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處理器的體系結構定義了指令集（ISA）和基于這一體系結構下處理器的程序員模型。盡管每個處理器性能不同，所面向的應用不同，每個處理器的實現都要遵循這一體系結構。 ARM體系結構為嵌入系統發展商提供很高的系統性能，同時保持優異的功耗和面積效率。 ARM體系結構的發展 ARM體系結構為滿足ARM合作者以及設計領域的一般需求正穩步發展。每一次ARM體系結構的重大修改，都會添加極為關鍵的技術。在體系結構作重大修改的期間，會添加新的性能作為體系結構的變體。下面的名字表明了系統結構上的提升，后面附加的關鍵字表明了體系結構的變體。 V3結構 32位地址 T Thumb狀態：16位指令。 M 長乘法支持（32*32=>64或者32*32+64=>64）。這一性質已經變成V4結構的標準配置。 V4結構 加入了半字存儲操作 D 對調試的支持（Debug） I 嵌入的ICE（In Circuit Emulation） 屬于V4體系結構的處理器（核）有ARM7，ARM7100（ARM7核的處理器），ARM7500(ARM7 核的處理器)。 屬于V4T（支持Thumb指令）體系結構的處理器（核）有 ARM7TDMI，ARM7TDMI-S（ARM7TDMI可綜合版本），ARM710T（ARM7TDMI核的處理器），ARM720T （ARM7TDMI核的處理器），ARM740T（ARM7TDMI核的處理器），ARM9TDMI，ARM910T（ARM9TDMI核的處理器），ARM920T（ARM9TDMI核的處理器），ARM940T（ARM9TDMI核的處理器），StrongARM（Intel公司的產品）。 V5結構 提升了ARM和Thumb指令的交互工作能力 E DSP指令支持。 J Java指令支持。 屬于V5T（支持Thumb指令）體系結構的處理器（核）有ARM10TDMI，ARM1020T （ARM10TDMI核處理器）。屬于V5TE（支持Thumb，DSP指令）體系結構的處理器（核）有ARM9E，ARM9E-S （ARM9E可綜合版本），ARM946（ARM9E核的處理器），ARM966（ARM9E核的處理器），ARM10E，ARM1020E（ARM10E核處理器），ARM1022E（ARM10E核的處理器）， Xscale （Intel公司產品）。屬于V5TEJ（支持Thumb，DSP指令，Java指令）體系結構的處理器（核）有ARM9EJ，ARM9EJ- S（ARM9EJ可綜合版本），ARM926EJ（ARM9EJ核的處理器），ARM10EJ。 V6結構 增加了媒體指令 屬于V6體系結構的處理器核有ARM11。ARM體系結構中有四種特殊指令集：Thumb指令（T），DSP指令（E），Java指令（J），Media指令，V6體系結構包含全部四種特殊指令集。為滿足向后兼容，ARMv6也包括了ARMv5的存儲器管理和例外處理。這將使眾多的第三方發展商能夠利用現有的成果，支持軟件和設計的復用。新的體系結構并不是想取代現存的體系結構，使它們變得多余。新的CPU核和衍生產品將建立在這些結構之上，同時不斷與制造工藝保持同步。例如基于V4T體系結構的 ARM7TDMI核還在廣泛被新產品所使用。 新體系結構的發展動力 下一代體系結構的發展是由不斷涌現的新產品和變化的市場來推動的。關鍵的設計約束是顯而易見的，功能，性能，速度，功耗，面積和成本必須與每一種應用的需求相平衡。保證領先的性能/功耗（MIPS/Watt）在過去是ARM成功的基石，在將來的應用中它也是一個重要衡量標準。隨著計算和通訊持續覆蓋許多消費領域，功能也變得愈來愈復雜，消費者期望有高級的用戶界面，多媒體以及增強的產品性能。ARMv6將更有效的對這些新性質和技術進行有效的支持。驅動RMv6體系結構發展的市場主要有無線，網絡，自動化和消費娛樂市場。ARM在過去與體系結構的受權者和主要合作者像Intel,Microsoft,Symbian和TI共同定義了ARMv6體系結構的需求。 ARMv6體系結構的提升 發展ARMv6體系結構的過程中，精力主要集中在五個方面： 存儲器管理 存儲器管理方式嚴重影響系統設計和性能。存儲器結構的提升將大大提高處理器的整體性能-尤其是對于面向平臺的應用。ARMv6體系結構可以提高取指（數據）效能。處理器將花費更少的時間在等待指令和緩存未命中數據重裝載上面。存儲器管理的提升將使系統性能提升30%。而且，存儲器管理的提升也會提高總線的使用效率。更少的總線活動意味著功耗方面的節省。 多處理器 應用覆蓋驅動系統實現向多處理器方向發展。無線平臺，尤其是2.5G和3G，都是典型的需要整合多個ARM處理器或ARM與DSP的應用。多處理器材通過共享內存來有效的共享數據。新的ARMv6在數據共享和同步方面的能力將使它更容易實現多處理器，以及提高它們的性能。新的指令使能復雜的同步策略，更大的提升了系統效能。 多媒體支持 單指令流多數據流（SIMD）能力使得軟件更有效地完成高性能的媒體應用像聲音和圖像編碼器。ARMv6指令集合中加入了超過60個SIMD指令。加入 SIMD指令將使性能提高2倍到4倍。SIMD能力使發展商可以完成高端的像圖象編碼 ，語音識別，3D圖象，尤其是與下一代無線應用相關的。 數據處理 數據的大小端問題是指數據以何種方式在存儲器中被存儲和引用。隨著更多的SOC集成，單芯片不僅包含小端的OS環境和界面（像USB，PCI），也包含大端的數據（TCP/IP包，MPEG流）。ARMv6體系結構，支持混合。結果，數據處理問題在ARMv6體系結構中更為有效。未對齊數據是指數據未與自然邊界對齊。例如，在DSP應用中有時需要將字數據半字對齊。處理器更有效處理這種情形需要能夠裝載字到任何半字邊界。當前版本的體系結構需要大量指令處理未對齊數據。ARMv6兼容結構處理未對齊數據更有效。對于嚴重依賴未對齊數據的DSP算法，ARMv6體系結構將有性能的提高以及代碼數量的縮減。未對齊數據支持將使ARM處理器在仿真其它處理器像Motorola的68000 系列方面更有效。與ARMv5的實現像ARM10和Xscale，ARMv6是基于32位處理器。ARMv6 可以實現64位或64位以上的總線寬度。這使得總線等于甚至超過64位處理器，但功耗和面積卻比64位CPU要低。 例外（EXCEPTION）與中斷 對于實時系統來說，對于中斷的效率是要求嚴格的。像硬盤控制器，引擎管理應用，這些應用中如果中斷沒有及時得到響應，那后果將是嚴重的。更有效的處理中斷與例外也能提高系統整體表現。在降低系統時尤為重要。在ARMv6體系結構中，新的指令被加入了指令集合來提升中斷與例外的實現。這些將有效提升特權模式下例外處理。 ARM11主要性能 ARM11是ARMv6體系結構的第一個實現，ARM11微結構的設計目的是為了高性能，而實現這一目的流水線是關鍵。ARM11微結構的流水線與以前的ARM核不同，它包含8級流水，使貫通率比以前的核提高40%。 單指令發射 ARM11微結構的流水線是標量的（SCALAR），即每次只發射一條指令（單發射）。有些流水線結構可以同時發射多條指令，例如，可以同時向ALU和MAC流水線發射指令。理論上，多發射微結構會有更高的效能，但實踐上，多發射微結構無疑會增加前段指令譯碼級的復雜程度，因為需要更多的邏輯來處理指令相關（DEPENDENCY），這將使處理器的面積和功耗變得更大。 分支預測 分支指令通常是條件指令，它們在跳到新指令前需要進行一些條件的測試。由于條件指令譯碼需要的條件碼要三四個周期后才可能有結果，分支有可能引起流水線的延遲。但分支預測將會有助于避免這種延遲。ARM11微結構使用兩種技術來預測分支。首先，動態的預測器使用歷史記錄來判斷分支是最頻繁發生，還是最不頻繁發生。 動態預測器是一個64個分錄，4狀態（StronglyTaken,WeaklyTaken,Strongly notTaken,Weakly notTaken）的分支目標地址緩存（BTAC）。表格大小足夠保持最近的分支情況，分支預測就基于以前的結果。其次，如果動態的分支預測器沒有發現記錄，就使用靜態的分支算法。很簡單，靜態預測檢查分支是向前跳轉還是向后跳轉。假如是向后跳轉，就假定它是一個循環，預測該分支發生，假如是向前跳轉，就預測該分支不發生。通過使用動態和靜態的分支預測，ARM11微結構中分支指令中的85%被正確預測。 存儲器訪問 ARM11微結構存儲器系統的提高之一就是非阻塞（NON-BLOCKING）和缺失命中（HIT-UNDER-MISS）操作。當指令取的數據不在緩存中時，一般處理器的流水線會停止下來，但ARM11則進行非阻塞操作，緩存開始讀取缺失的數據，而流水線可以繼續執行下一指令（NON-BLOCKING），并且允許該指令讀取緩存中的數據（HIT-UNDER-MISS ）。 并行流水線 盡管流水線是單發射的，在流水線的后端還是使用了三個并行部件結構，ALU，MAC （乘加），LS（存取）。LS流水線是專門用于處理存取操作指令。把數據的存取操作與數據算術操作的藕合性分隔開來可以更有效的處理執行指令。在流水線中包含LS部件的ARM11微結構中，ALU或者MAC指令不會由于LS指令的等待而停止下來。這也使得編譯工具有更大的自由度通過重新安排代碼來提高性能。為使并行流水線獲得更大的效能，ARM11微結構使用了亂序完成（OUT-OF-ORDER COMPLETION）。 64位數據路徑 對于目前的許多應用來說，由于成本與功耗的問題，真64位處理器并不十分必要。ARM11 微結構在局部合理使用64位結構，通過32位的成本來實現64位的性能。ARM11微結構在處理器整數部件與緩存之間，整數部件與協處理器之間使用了64 位數據總線。64位的路徑可以在一個周期內從緩存中讀取兩條指令，允許每周期傳送兩個ARM寄存器的數據。這使得許多數據移動操作與數據加工操作變得更為高性能。 浮點處理 ARM11微結構支持浮點處理。ARM11微結構產品線將浮點處理單元作為一個選項。這可以方便發展商根據需求需用合適的產品。 |
