ARM處理器結構

ARM和Thumb狀態
RISC技術
流水線技術
超標量技術

ARM和Thumb狀態
V4版以后有：
（1）32位ARM指令集
（2）16位Thumb指令集，功能是ARM指令集的功能子集。
ARM7TDMI核以后，T變種的ARM微處理器有兩種工作狀態：
（1）ARM狀態
（2）Thumb狀態。
當ARM微處理器執行32位的ARM指令集時，工作在ARM狀態；
當ARM微處理器執行16位的Thumb指令集時，工作在Thumb狀態

Thumb技術介紹
ARM7體系結構被廣泛應用的時候，嵌入式控制器的市場仍然由8位、16位處理器占領。這些產品不能滿足高端應用。這些應用需要32位RISC處理器的性能和更優于16位CISC處理器的代碼密度。
為了解決代碼密度的問題，ARM增加了T變種。
Thumb從32位ARM指令集中抽出來的36條指令格式，可重新編成16位的操作碼。
在運行時，16位的Thumb指令又由處理器解壓成32位指令。
Thumb核有2套獨立的指令集，它使設計者得到ARM32位指令性能的同時，又能享有Thumb指令集產生的代碼方面的優勢，在性能和代碼大小之間取得平衡。

和ARM指令集相比，Thumb指令集具有以下的局限：
完成相同的操作，Thumb指令通常需要更多的指令，因此在對系統運行時間要求苛刻的場合，ARM指令集更為合適。
Thumb指令集沒有包含進行異常處理時需要的一些指令，因此在異常中斷時，還是需要使用ARM指令，這種限制決定了Thumb指令需要與ARM指令配合使用。

ARM與Thumb狀態轉換
在程序的執行過程中，微處理器可以隨時在兩種工作狀態之間切換，并且該轉變不影響處理器的工作模式和相應寄存器中的內容。
進入Thumb狀態：當操作數寄存器的狀態位（位[0]）為1時，執行BX指令。
進入ARM狀態：當操作數寄存器的狀態位（位[0]）為0時，執行BX指令。

RISC技術
嵌入式微處理器可以分為兩類：CISC和RISC；
CISC（Complex Instruction Set Computer）：復雜指令系統計算機；隨著計算機技術的發展而不斷引入新的復雜的指令集，計算機的體系結構會越來越復雜。
大約有20％的指令會被反復使用，占整個程序代碼的80％，而余下的80％的指令卻不經常使用，在程序設計中只占20％ 。
RISC（Reduced Instruction Set Computer）：精簡指令系統計算機；－ 采用固定長度的指令格式
－ 使用單周期指令
－ 大量使用寄存器
－ 可用加載/存儲指令批量傳輸數據
－ 在循環處理中使用地址的自動增減

RISC技術與CISC技術比較

RISC技術
ARM處理器采用加載/存儲（Load/Store）體系結構是典型的RISC處理器，即只有Load/Store的存/取指令可以訪問存儲器，其余指令都不允許進行存儲器操作。
RISC體系結構基本特點：
（1）大多數指令只需要執行簡單和基本的功能，其執行過程在一個機器周期內完成。
（2）只保留加載/存儲指令。操作數由加載/存儲指令從存儲器取出放寄存器內操作。
（3）芯片邏輯不采用或少采用微碼技術，而采用硬布線邏輯。
（4）減少指令數和尋址方式。
（5）指令格式固定，指令譯碼簡化。
（6）優化編譯。

RISC技術
ARM體系結構還采用了一些特別的技術：
所有的指令都可根據前面的執行結果決定是否被執行，提高了指令的執行效率。
可用Load/Store指令批量傳輸數據，以提高數據的傳輸效率。
可在一條數據處理指令中同時完成邏輯處理和移位處理。
RISC和CISC各有優勢，界限并不那么明顯。
現代的CPU往往采用CISC的外圍，內部加入了RISC的特性，如超常指令集CPU就是融合了RISC和CISC的優勢，成為未來的CPU發展方向之一。

流水線技術
是一種將每條指令分解為多步，并讓各步操作重疊，從而實現幾條指令并行處理的技術；
程序中的指令仍是一條條順序執行，但可以預先取若干條指令，并在當前指令尚未執行完時，提前啟動后續指令的另一些操作步驟，從而可加快程序的運行速度；

開發和設計嵌入式系統的過程中，CPU的性能是一個非常重要的考慮因素。
流水線技術是在本質上影響程序執行速度的因素。
由于計算機中一條指令的各個執行階段相對獨立，因此，現代CPU大多設計成流水線型的機器，在這種類型機器中幾個指令可以并行執行。采用流水線的重疊技術大大提高了CPU的運行效率。
當流水線內部的信息通暢流動時，CPU流水線能夠工作得最好。
但實際應用中，指令各執行階段的操作時間長短不同，有一些指令序列可能會打斷流水線內的信息流，所以有時流水線操作不十分通暢，會暫時降低CPU的執行速度。

單周期指令的執行過程

ARM的3級流水線
ARM7架構采用了一個3段的流水線：
（1）取指：將指令從內存中取出來。
（2）譯碼：操作碼和操作數被譯碼以決定執行什么功能。為下一周期準備數據路徑需要的控制信號。這一級指令”占有“譯碼邏輯，而不是”占有”數據路徑
（3）執行：執行已譯碼的指令。指令占有數據路徑，寄存器堆棧被讀取，操作數在桶行移位器中被移位。ALU產生運算結果并回寫到目的寄存器中，ALU結果根據指令需求更改狀態寄存器的條件位。

流水線模式下PC的更改過程

多周期ARM指令的3級流水線操作
數據路徑涉及到所有執行周期、地址計算和數據傳送。譯碼邏輯總是產生數據路徑在下一個周期使用的控制信號，因此除譯碼周期以外，在STR地址計算周期也產生數據傳送所需的控制信號。
取指的存儲器訪問和執行的數據路徑占用都是不可同時共享的資源，對于多周期指令來說，如果指令復雜以至于不能在單個時鐘周期內完成執行階段，就會產生流水線阻塞。

ARM的流水線設計問題
1）縮短程序執行時間:

Tprog：執行一個程序所需時間；
Ninst：執行該程序的指令條數；
CPI：執行每條指令的平均時鐘周期數；
Fclk：處理器的時鐘頻率。
措施：
提高時鐘頻率fclk（導致流水線的級數增加 ）。
減少每條指令的平均時鐘周期數CPI（需要解決流水線的相關問題 ）
2）解決流水線相關:
結構相關：某些指令在流水線中重疊執行時，產生資源沖突 。
措施：1）采用分離式指令Cache和數據Cache。2）ALU中采用單獨加法器來完成地址計算。
數據相關：當一條指令需要前面指令的執行結果，而這些指令均在流水線中重疊執行時，就可能引起流水線的數據相關。
數據相關有“寫后讀”、“寫后寫”和“讀后寫”等。
措施：1）旁路技術。2）流水線互鎖技術。
控制相關：當流水線遇到分支指令和其他會改變PC值的指令時，就會發生控制相關。
措施：1）引入延時分支。2）盡早計算出分支轉移成功時的PC值（即分支的目標地址）。

ARM的5級流水線
ARM9和StrongARM架構都采用了5級流水線.
增加了I-Cache和D-Cache，把存儲器的取指與數據存取分開；
增加了數據寫回的專門通路和寄存器；
把指令的執行過程分割為5部分:
取指：將指令從指令存儲器中取出，放入指令流水線中。
指令譯碼：對指令進行譯碼，從寄存器堆中讀取寄存器操作數。
執行：把一個操作數移位，產生ALU結果。如果指令是Load或Store，在ALU中計算存儲器的地址。
數據緩存：如果需要，訪問數據存儲器；否則，ALU的結果只是簡單地緩沖一個時鐘周期，以便使所有指令具有同樣地流水線流程。
寫回 ：將指令產生地結果寫回到寄存器堆。

流水線對比

超標量執行

通過重復設置多套指令執行部件，同時處理并完成多條指令，實現并行操作，來達到提高處理速度的目的。
所有ARM內核，包括流行的ARM7、ARM9和ARM11等，都是單周期指令機。
ARM公司下一代處理器將是每周期能處理多重指令的超標量機。
超標量處理機：一個時鐘周期內同時執行多條指令的處理機。

超標量處理器中的多指令單元
超標量與流水線技術是兼容的，為了能夠在一個時鐘周期內同時發射多條指令，超標量處理機必須有兩條或兩條以上能夠同時工作的指令流水線。但與此同時，也帶來了多流水線的調度問題和操作部件的資源沖突問題。
超標量處理器在執行的過程中必須動態地檢查指令相關性。
如果代碼中有分支指令,必須將分支被執行和分支不被執行這兩種情況分開考慮。
計算執行時間幾乎是不可能的。