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arm編譯器構架分析

2019-11-13

一、引言　　隨著近兩年各種智能手機、平板電腦、車載電子等各種消費品的蓬勃發展，ARM編譯器體系結構的處理器，作為這些消費品的處理核心，也得到了長足的進步，甚至擊敗了Intel，在移動嵌入式領域獨占鰲頭。本文將首先介紹ARM編譯器體系結構的發展歷程，然后將著重梳理其先進的Cortex系列處理器的體系結構，以及這些結構對于各種軟件平臺如JAVA、.NET的支持等。二、 ARM編譯器體系結構的歷史即其新進展　　2.1 ARM編譯器體系結構市場前景來自英國的ARM（Acorn RISC Machine）公司雖然以ARM編譯器處理器著稱，但是它獨特的商業模式卻決定了ARM編譯器公司本身并不生產處理器，這點與從研發到生產到出貨垂直整合的Intel公司有很大不同，ARM編譯器公司采取的是授權與提成的商業模式（Intellectual Property Core 簡寫IP-Core）：公司自己研發處理器體系架構，然后將這套架構的知識產權有償授權給處理器制造廠商如高通、三星等半導體廠商，這些廠商造出的每一塊使用ARM體系結構的芯片只需向ARM編譯器公司交付低廉的提成即可。由于這種創新的商業模式和低廉的成本，加上ARM編譯器體系的低功耗特點，讓ARM編譯器體系在對價格敏感和續航能力敏感的32位嵌入式電子消費品市場如虎添翼，基本占據了32位嵌入式消費平的市場份額。發展到如今，ARM編譯器芯片甚至在對運算速度要求更高的的上網本、平板電腦也大有跟Intel的ATOM處理器一較高低的實力。近來紅得發紫的蘋果iPad就是采用的ARM深度定制的一款處理器架構，其它還有很多運行著Android系統的平板產品、智能手機產品等也都采用ARM體系結構的處理核心。由此可見ARM編譯器體系結構在移動電子消費品市場無與倫比的優勢。 ?????? 　　 2.2 ARM編譯器體系發展歷史　　1985——誕生了第一顆ARM編譯器芯片，ARM1 Sample版。　　1986——ARM2，具有32位數據總線，26位地址總線，16個32位寄存器的處理器實現產能量產。　　20世紀80年代晚期——蘋果電腦開始與Acorn合作開發新版的ARM編譯器核心。　　1991——與蘋果的合作造就了ARM6，并進入了蘋果的Apple Newton PDA和Acorn Risc-PC成為了它們的處理器。在該年正式成立了ARM公司，作為Acorn的一家子公司。　　1991——至今ARM的產品已經橫貫應用程序處理器，嵌入式處理器，專家系統等各種計算領域，成為了移動電子消費品市場、復雜工業控制應用的處理器體系架構。　　2.3 ARM編譯器產品系列簡介　　??2.3.1 經典ARM 處理器　　??這一系列包括的處理器架構有：　　l ARM11 系列 —— 基于ARMv6 體系結構的高性能處理器　　l ARM9 系列 —— 基于ARMv5 體系結構的常用處理器　　l ARM7 系列 —— 面向普通應用的經典處理器　　該系列適用于那些希望在新應用中追求穩定的產品。這些處理器提供了許多的特性、卓越的功效和范圍廣泛的操作能力，適用于成本敏感型解決方案。這些處理器每年都有數十億的發貨量，因此可確保設計者獲得體系和資源，從而減少集成過程中出現的問題并縮短上市時間。　　2.3.2 ARM編譯器 Cortex 嵌入式處理器　　這一系列的處理器架構有：　　l Cortex-R 系列 —— 面向實時應用的卓越性能　　l Cortex-M 系列 —— 面向具有確定性的微控制器應用的成本敏感型解決方案　　Cortex-M 系列處理器主要是針對微控制器領域開發的，在該領域中，既需進行快速且具有高確定性的中斷管理，又需將門數和可能功耗控制在最低；而Cortex-R 系列處理器的開發則面向深層嵌入式實時應用，對低功耗、良好的中斷行為、卓越性能以及與現有平臺的高兼容性這些需求進行了平衡考慮。　　?2.3.3 ARM編譯器 Cortex 應用程序處理器　　這一系列包括的處理器架構只有　　l Cortex-A 系列- 開放式操作系統的高性能處理器　　Cortex-A在高級工藝節點中可實現高達2GHZ+的主頻，也正是由于如此卓越的性能，該處理器架構可用于下一代Internet設備，而且該系列提供單核和多核多種種類，并且提供NEON多媒體處理模塊的四種選擇和高級浮點執行單元和處理單元。　?　2.3.4 ARM編譯器專家處理器　　這一系列包括的處理器架構只有　　l SecurCore - 面向高安全性應用的處理器　　l FPGA 內核- 面向FPGA 的處理器　　該系列的處理器主要是為了滿足一些特定市場的苛刻需求。SecurCore可以用于手機SIM卡和其他識別應用，集成了多種既可以為用戶提供卓越性能，又可以檢測和避免安全攻擊的技術。 2.4 ARM指令集　　談到ARM編譯器的指令系統，必須先明確一點的就是，ARM編譯器體系結構不同于x86，它是RISC（Reduced InstrucTIon Set Computer）體系結構。所以，在ARM指令體系中，各指令相對來說更加規整、對稱、簡單。而且指令小于100條，基本尋址方式只有2~3中，而且指令字長都比較一直，并都在單個時鐘周期內完成，以便于流水操作。在ARM7中采用的是3級流水線：取值、譯碼、執行。而ARM9和ARM10則是五級流水線和六級流水線。ARM編譯器的訪存采用的都是LOAD-STORE結構，這樣可以把每條指令的執行時間都平均化，有助于高效的流水線的實現，采用這種結構也就同時意味著指令都要在寄存器間進行操作，所以ARM體系中有大量的寄存器（不少于32個）。　　?2.4.1 ARM編譯器指令與Thumb指令　　ARM編譯器指令集可以是32位長的ARM指令，也可以是16位長的Thumb指令，這主要是為了兼容數據總線為16位的應用系統。所有的Thumb指令都有對應的ARM指令，Thumb只是ARM的一個真子集，而且Thumb指令舍棄了ARM指令集的一些特性，如大多數Thumb指令都是無條件執行的，而幾乎所有的ARM指令都是有條件執行的，又如大多數的Thumb指令由于長度有限，目的寄存器是源寄存器中的一個，這跟x86的匯編指令集相似。　　Thumb指令的優點在于它可以在保留32位代碼優勢的同時，大大節省系統的存儲空間，因為在Thumb指令集中的操作數仍然是32位的，指令地址也是32位的，只是指令編碼變成了16位，而ARM指令則為32位，所以，相比之下，實現同樣的功能，Thumb指令的條數要比ARM略多，Thumb的存儲空間僅僅是ARM存儲空間的60%~70%，但是Thumb的指令條數比ARM指令條數多30%~50%，如果使用32位的存儲器，由于指令條數較少等原因，ARM指令會比Thumb指令快40%左右，而使用16位存儲器時，Thumb指令則會快40%~50%。同時與ARM比較Thumb指令的功耗會降低約30%。但是Thumb指令也有其局限性。第一、偏移范圍，在Thumb指令中條件轉移偏移只有8位，也就是說只能在256Byte的范圍內有條件地轉移，在無條件轉移中可以有16位的偏移，而這些在ARM指令中都是32位，大大提高了靈活性。同時，在Thumb指令中不支持乘法和累加，沒有協處理器指令沒有信號量指令也沒有CPSR指令。　　在面臨二者的取舍的時候，同其它無數的案例一樣，發揮各自的長處是完美的解法。如果系統對性能要求較高，應采用32位的存儲器和ARM編譯器指令集，而對功耗和成本要求較高，則應使用Thumb指令集。但是如果兩者結合使用，讓它們充分發揮各自的優點，則會取得更好的效果。　　ARM編譯器指令的基本格式如下：　　《opcode》 {《cond》} {S} 《Rd》，《Rn》{，《operand2》} 　　其中《》號內的項是必須的，{}號內的項是可選的，opcode為指令助記符；cond是該動作的執行條件；S表示影響CPSR寄存器（程序狀態寄存器）的值，如果不加則表示不影響 CPSR的值；Rd表示運算結果的目標寄存器；Rn表示第1個操作數的寄存器；operand2表示第2個操作數，可選。　　同時，ARM編譯器芯片還支持協處理器，在ARM指令集中有對協處理器的數據操作、數據讀取、數據寫入和CPU與協處理器的寄存器傳送的相應指令。　　2.5?ARM編譯器體系結構對運行平臺的支持 ——Jazelle技術　　運行Java虛擬機（JVM）解釋Java字節碼這種方式對大多數嵌入式應用來說占用空間過多，運行速度過慢。而系統發展的趨勢及市場的需求決定了Java應用需要有更強的圖形處理能力以及一個強大的Java虛擬機。于是催生出了Jazelle技術，從硬件上對Java虛擬機提供支持。 Jazelle DBX（Direct Bytecode eXecuTIon）是一種硬件架構擴展技術，為ARM處理器引入了第三套指令集—Java字節碼。新指令集建立了一種新的狀態，處理器在此狀態下處理Java字節碼取指令、譯碼和維護Java操作數棧等任務。允許它們在某些架構的硬件上加速執行Java字節碼，就如其他執行模式般，它能在現存的ARM編譯器與Thumb模式之間互相切換。為了降低芯片尺寸并提高性能，Jazelle DBX沒有設計成傳統形式的微引擎，而是融入流水線中的一個有限狀態機。　　Jazelle DBX技術增加了一條新的“Branch-to-Java”指令來進入Java狀態。此指令支持條件執行，先檢查條件標志，如果條件滿足，處理器進入Java狀態，跳轉到指定目標地址，開始執行Java字節碼。在Java狀態下，PC寄存器仍是32位尋址Java字節代碼。字節碼的取指、譯碼分別在兩個流水段完成（對應ARM/Thumb狀態下為一個譯碼流水級）。32位的取指令操作一次性可以取4個Java字節碼，性能優勢十分明顯，對于一個高度優化的商業Java虛擬機，運行評測程序或復雜的MIDP2.0應用，Jazelle DBX技術通常可帶來約2~4倍的性能提升。Jazelle DBX技術允許所有的Java指令是“可重新開始”的。這樣在執行Java指令過程中，即刻響應中斷，從而減少中斷延遲，確保實時性能。　　在ARM處理器的Java狀態下，有若干個ARM編譯器寄存器可以功能復用（包括棧指針、棧頂四項（top4 elements of stack）、局部變量0等）。正是這些硬件復用設計，才使得只用了很少的額外邏輯（約一萬兩千門）就實現了一個Java機。把所有Jazelle DBX擴展所需的狀態用ARM寄存器保存，也保證了和現有操作系統、中斷處理程序和異常處理代碼的兼容性。把棧頂四項保存在ARM寄存器中也能提高Java性能。大量的程序分析顯示，大多數程序的棧深度是很小的，所以這項策略可以盡量減少內存訪問，硬件也可自動處理棧溢出或下溢。　　和Java協處理器或其它專用Java處理器設計不同的是，Jazelle DBX和主處理器共用緩存，這一方面能夠降低功耗，而且還可以提高性能。另一個重要的設計考慮是確保Jazelle DBX技術不會影響實時中斷性能，仍保持與操作系統中已有ARM編譯器異常處理代碼的兼容。 ? ? 關于億道電子 ? ? 億道電子是國內全面的開發工具提供商, 致力于將全球先進的軟件產品引薦給國內研發型企業使用，為企業提供研發、設計、管理過程中使用的各種軟件工具，并致力于和客戶一同提高研發、設計效率，縮短設計周期。億道電子先后與ARM、Altium、Ansys、QT、TestPlant、CollabNet、Parasoft以及TouchGFX等多家全球知名公司建立戰略合作伙伴關系，并成為他們在中國區的重要分銷合作伙伴。 ? ? 億道電子專注開發、設計、管理工具數十年，客戶超過6000家，具有豐富的工具使用及客戶支持經驗積累，可以為客戶提供從ARM開發、EDA板級設計、軟件編譯及測試工具、結構設計工具、多物理場仿真工具以及嵌入式GUI工具等產品與服務。億道電子在北京、上海、深圳設有分公司，業務遍布全國。

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應對智能硬件時代 ARM生態讓構架多元化

2019-10-23

在移動互聯網時代，ARM無處不在。在從ARM成立至今的25年里，基于ARM架構的芯片全球出貨量已經超過750億。在智能手機領域，稱ARM處于統治地位并不為過。但ARM在面向消費者的計算領域取得如今的地位，時間并不長。在不到十年的時間里，在PC時代被視為牢不可破的wintel聯盟(基于intel構架與windows操作系統的計算設備)已經不再是消費級互聯網技術的主流。在ARM成立25周年之際，ARM先人一步地開始思考這個問題：ARM構架會被顛覆嘛?誰來顛覆ARM? 在五六年前，智能手機的掀起的潮流給了ARM前所未有的成長空間。當時在ARM內部，與之配套的技術儲備雖然不弱，但其實并非最重要的業務——2010年之前，ARM來自個人消費市場的收入和前景看上去遠不如工業控制和嵌入式計算領域。但ARM“輕公司”的特點使其快速順應了潮流，并在短短五年之內建立起自己的產業生態和“一定規則下的開源”環境。正如大家所知，ARM并不自己生產芯片，而是提供芯片設計方案和技術知識產權，授權合作伙伴生產。大家所熟知的蘋果、高通、三星、MTK……這些合作伙伴一同推動ARM構架成為了移動互聯網底層計算力的標準。移動互聯網浪潮在短短幾年時間里迅速超越傳統的PC互聯網，這一出乎所有人意料的機遇不僅把ARM送入消費電子的快車道，也讓ARM開始更宏觀地思考行業的未來。誰來顛覆ARM，就是在這個背景下ARM內部產生的討論。開放消解顛覆沒有人否認智能硬件時代將近。關鍵是，智能硬件時代是什么樣的，有什么樣的技術創新與商業機會——對于這個問題，還沒有統一的答案。從商業的角度而言，ARM被寄予的期望不僅是要守住在移動互聯網時代創造的輝煌，更多的是如何從底層帶領產業從技術上先跨入智能硬件時代。在“2015ARM年度技術論壇”上，ARM全球執行副總裁兼大中華區總裁吳昂雄認為，ARM經得住考驗。事實上，在兩年前“可穿戴設備”概念剛剛起步，芯片行業已經有對新構架取代ARM的討論。但行業實踐證明了，使用ARM構架來搭建可穿戴計算設備，仍然是目前最優的選擇。ARM也適時在其中起到了正面推動作用。吳昂雄對“誰來顛覆ARM構架”的問題并不陌生。他在ARM內外部都曾經被問到這個問題。他的答案是:“技術的發展總是超乎想象，沒有什么是技術不能實現的。但取得技術成果的關鍵是投入度。” 吳昂雄認為，在對智能硬件時代的技術創新投入度上，ARM已經在全力以赴。在投入度足夠的基礎上，ARM又足夠開放，這是ARM不斷創新的驅動力。 “相對于自己從零開始，選擇一個技術投入和服務水準都足夠高的合作伙伴，是成本更低成功率更高的選擇。”吳昂雄說，“更重要的是，ARM不限制合作伙伴一定要做什么一定不能做什么。當ARM生態中有足夠多的伙伴在做某一個技術方向時，會推動ARM向其投入技術資源。而ARM的優勢就在于提供技術構架的完整性，一旦開始投入，ARM能把整個產業帶入正向的循環。” 吳昂雄用Linux舉例，認為ARM具備Linux的開源精神：“你看，沒有人說要顛覆Linux吧，只會在Linux上做更多的改進來實現自己的開發目的。ARM也是一樣，而且ARM更愿意調整自己去適應整個行業的需求。為什么還要繞開ARM去另做一個東西呢?” 顛覆ARM構架的，恰恰是ARM生態 “ARM生態”的提法并不是第一次見，在有紀念ARM成立25周年意味的“2015ARM年度技術論壇”上，ARM生態再度被提起。而這也許是最能回答“誰來顛覆ARM”的線索。 ARM生態與其他技術生態有一個突出的區別，就是這個生態是擅長先行的中小企業驅動的。ARM推崇“顛覆式創新”。而這個詞描述的，恰恰是一些領先群體嘗試和推動一些新技術，ARM在這個過程中會實現一些新想法，開發出一些新標準。這時候，由于ARM的動作會使更多的企業進入這些創新領域進行探索，應用到自己的產品體系中。這其中重要的一點是，某一家ARM生態企業從ARM獲得的技術支持，別家也能拿到。所以在這種競爭中勝出的關鍵并不是本身的企業規模或在生態中的排位。ARM在ARM生態中并不扮演裁判，而把判斷完全交給了市場。ARM在芯片技術上致力于multiple cluster (多簇群)、coherence (一致性)——這是一個加劇競爭的發動機。吳昂雄對于智能硬件時代的趨勢判斷是“計算場景愈加分散”。ARM目前所接到的定制化客戶需求較之前也有明顯的增長。吳昂雄認為這是對ARM的利好，“智能硬件時代，芯片廠商要進入多個領域還要保持投入，這是一個巨大的挑戰，而ARM的開放性在這種趨勢下優勢是明顯的。”ARM原有的客戶在積極進入智能硬件領域時，客觀上對ARM所提供技術的應用更加充分。所需求的計算力要求也越來越高。“這鞏固了ARM生態的成功。”吳昂雄說。從ARM構架到ARM生態，在概念上是一種演進而非替代。當產業中使用“ARM構架”這個詞的時候，ARM的角色是固定的——提供處理器IP，解決產品化過程中的技術問題。但“ARM生態”這個詞帶來的變化是，ARM的角色更多樣化了。在不同的ARM生態系統企業中，ARM公司可能是指南，可能是供應商，也可能只是案例——這是ARM所希望看到的。 ARM的開放與ARM生態的開放 ARM本身開放的特點與移動互聯網的高速發展成就了ARM生態。而ARM生態要走向開放則是另一個維度的命題。 ARM的商業模式決定了本身的開放屬性。吳昂雄認為ARM具備“開源精神”，但開源也是要收服務費的，這和ARM的版稅類似。從商業上來說，開放給ARM帶來更高的回報。但在扮演更多角色，投入更多成本，客戶服務難度變大(計算需求碎片化)的變化之下，ARM生態所嘗試的開放，更有探索的意味。 ARM于2015年在中國成立了“ARM生態加速器”(即安創空間)。這在ARM的全球業務中是唯一一個。而ARM生態的開放，可能藉由這個“加速器”而產生許多可能。吳昂雄強調了多次“ARM生態加速器”與傳統意義上的加速器的區別：雖然冠名為ARM，但ARM在其中扮演的并不是一個管家的角色。吳昂雄希望更多的創新服務資源能夠有通道接入到ARM生態之中。關于億道電子億道電子是國內全面的開發工具提供商,致力于將全球先進的軟件產品引薦給國內研發型企業使用，為企業提供研發、設計、管理過程中使用的各種軟件工具，并致力于和客戶一同提高研發、設計效率，縮短設計周期。億道電子先后與arm、Altium、Ansys、QT、TestPlant、CollabNet、Parasoft以及TouchGFX等多家全球知名公司建立戰略合作伙伴關系，并成為他們在中國區的重要分銷合作伙伴。億道電子專注開發、設計、管理工具數十年，客戶超過6000家，具有豐富的工具使用及客戶支持經驗積累，可以為客戶提供從arm開發、EDA板級設計、軟件編譯及測試工具、結構設計工具、多物理場仿真工具以及嵌入式GUI工具等產品與服務。億道電子在北京、上海、深圳設有分公司，業務遍布全國。

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