3.2 體系結(jié)構(gòu)的歷史與擴(kuò)展

在本節(jié)中，我們首先通過(guò)以前的版本來(lái)簡(jiǎn)要地看看體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展。不熟悉ARM體系結(jié)構(gòu)的讀者如果碰到不明白的術(shù)語(yǔ)，請(qǐng)不要擔(dān)心，因?yàn)槲覀儗⒃诤竺娴恼鹿?jié)中加以詳細(xì)描述。

從20世紀(jì)80年代中期的第一款測(cè)試硅片到20世紀(jì)90年代初的第一個(gè)ARM6和ARM7設(shè)備，ARM體系結(jié)構(gòu)的變化相對(duì)較小。在第1版本的體系結(jié)構(gòu)中，ARM1實(shí)現(xiàn)了大部分異常模式的加載、存儲(chǔ)和算術(shù)運(yùn)算，以及寄存器組。第2版本增加了乘法和乘法累加指令，以及對(duì)協(xié)處理器的支持，再加上一些進(jìn)一步的創(chuàng)新。這些早期的處理器只支持26位的地址空間。第3版本的體系結(jié)構(gòu)分離了程序指針寄存器和程序狀態(tài)寄存器，并增加了一些新的模式來(lái)支持32位的地址空間。第4版本增加了對(duì)半字的加載和存儲(chǔ)操作以及一個(gè)額外的內(nèi)核級(jí)特權(quán)模式。

ARMv4T體系結(jié)構(gòu)推出的Thumb（16位）指令集已經(jīng)在ARM7TDMI?和ARM9TDMI?的處理器上應(yīng)用，并已出貨數(shù)十億美元的產(chǎn)品。ARMv5TE體系結(jié)構(gòu)添加改進(jìn)了DSP類型操作和飽和算術(shù)和ARM/Thumb互相配合。ARMv6的提出了一些增強(qiáng)功能，如支持未對(duì)齊的內(nèi)存訪問(wèn)，對(duì)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的重要改變和對(duì)多處理器的支持，再加上對(duì)32位寄存器內(nèi)字節(jié)或半字的SIMD操作的支持，它還提供了許多可選的擴(kuò)展，主要是Thumb-2和安全擴(kuò)展（TrustZone）。Thumb-2將Thumb擴(kuò)展到混合長(zhǎng)度（16位和32位）的指令集。ARMv7-A體系結(jié)構(gòu)對(duì)Thumb-2進(jìn)行強(qiáng)制性擴(kuò)展，并增加了高級(jí)SIMD擴(kuò)展（NEON），這將在第9章和第21章中描述。

數(shù)年以來(lái)，ARM在ARM9中采用了連續(xù)編號(hào)處理器系統(tǒng)，ARM9是從ARM8發(fā)展來(lái)的，ARM8又是繼ARM7而來(lái)的。在整個(gè)ARM家族中，用附加的各種數(shù)字和字母來(lái)表示不同的變種。例如，ARM7TDMI處理器用T來(lái)表示Thumb，用D表示Debug, M表示快速乘法器，I表示嵌入式ICE。

對(duì)于ARMv7體系結(jié)構(gòu)，ARM公司采用商標(biāo)Cortex，并補(bǔ)充表明處理器支持哪種配置系列（A、R還是M）。圖3-1顯示了不同版本的體系結(jié)構(gòu)如何對(duì)應(yīng)于不同的處理器實(shí)現(xiàn)。注意，這個(gè)圖不全面，也不包括所有體系結(jié)構(gòu)的版本或處理器實(shí)現(xiàn)。

圖3-2中展示了體系結(jié)構(gòu)隨著時(shí)間的發(fā)展，闡述了在每一個(gè)新版本體系結(jié)構(gòu)中的新增功能。幾乎所有體系結(jié)構(gòu)的改變都是向后兼容的，這意味著對(duì)ARMv4T體系結(jié)構(gòu)編寫(xiě)的軟件仍然可以用于ARMv7體系結(jié)構(gòu)的處理器。

本書(shū)的各個(gè)章節(jié)將詳細(xì)討論體系結(jié)構(gòu)的每個(gè)主題，但在這里，我們將簡(jiǎn)要地介紹了一些基本結(jié)構(gòu)單元。

1．DSP乘累加和飽和算術(shù)指令

加入到ARMv5TE體系結(jié)構(gòu)中的這些指令，改善了數(shù)字信號(hào)處理和多媒體軟件的能力，并由字母E來(lái)表示。這些新的指令提供了許多不同種類的帶符號(hào)乘累加、飽和加減、前導(dǎo)零計(jì)數(shù)，并且在更高版本的體系結(jié)構(gòu)上保留下來(lái)。在許多情況下，這使得可以在系統(tǒng)中省掉一個(gè)簡(jiǎn)單的獨(dú)立DSP。

2．Jazelle

當(dāng)需要節(jié)省電量時(shí)，Jazelle DBX（直接字節(jié)碼執(zhí)行）被ARMv5TEJ用來(lái)改善執(zhí)行Java代碼的性能，增加內(nèi)存的可用性和即時(shí)（JIT）編譯器的改進(jìn)，降低處理器的應(yīng)用價(jià)值。因此，許多的ARMv7-A處理器不需要硬件加速。

在非常有限的內(nèi)存中提供給系統(tǒng)高性能的Java性能時(shí)，Jazelle DBX是最適合的，例如，功能型手機(jī)或低成本的嵌入式應(yīng)用。在當(dāng)今的系統(tǒng)中，它主要是用于向后兼容。

3．Thumb執(zhí)行環(huán)境（ThumbEE）

由于ARMv7-A的引進(jìn)和要求，ThumbEE有時(shí)也被稱為Jazelle-RCT（運(yùn)行時(shí)編譯目標(biāo)）。它涉及對(duì)Thumb指令集微小改變，使它能更好地在受控環(huán)境中運(yùn)行而生成代碼（如管理語(yǔ)言中的Java、Dalvik、C#、Python或Perl）。

ThumbEE被用在實(shí)時(shí)（JIT）或提前（AOT）編譯器中，它可以減少重新編譯的代碼大小。管理代碼的編譯不屬于本書(shū)的討論范圍。

4．Thumb-2

在ARMv6T2中引進(jìn)Thumb-2技術(shù)，此技術(shù)也是ARMv7所需。該技術(shù)將原來(lái)的16位Thumb指令集擴(kuò)展到32位指令集。16位和32位Thumb指令集的組合實(shí)現(xiàn)了原始Thumb指令集的相似代碼密度，但性能類似于32位ARM指令集。由此產(chǎn)生的Thumb指令集提供了幾乎所有的ARM指令集的功能，以及額外的功能。

5．安全擴(kuò)展（TrustZone）

ARMv6K引入的可選安全擴(kuò)展TrustZone已經(jīng)在所有ARM Cortex-A處理器中實(shí)現(xiàn)。TrustZone提供了一個(gè)獨(dú)立的安全區(qū)域，可以將敏感代碼和數(shù)據(jù)從包含操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的普通區(qū)域分離出來(lái)。因此，安全區(qū)域中的軟件旨在為普通（非安全區(qū)域）提供安全服務(wù)。在第27章中將更詳細(xì)地描述TrustZone。

6．VFP

在ARMv7之前，VFP的擴(kuò)展被稱為矢量浮點(diǎn)結(jié)構(gòu)，并用于矢量運(yùn)算。VFP是一種實(shí)現(xiàn)單精度和可選雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算的擴(kuò)展，符合ANSI/IEEE標(biāo)準(zhǔn)的浮點(diǎn)運(yùn)算。

7．高級(jí)SIMD(NEON)

ARM NEON技術(shù)使得高級(jí)單指令多數(shù)據(jù)（SIMD）指令集擁有獨(dú)立的寄存器表（與VFP共享），一些具體實(shí)現(xiàn)有單獨(dú)的NEON流水線后端，支持8位、16位、32位和64位整數(shù)，以及單精度（32位）浮點(diǎn)數(shù)據(jù)，并可以在64位和128位的寄存器上進(jìn)行運(yùn)算。

8．大物理地址擴(kuò)展（LPAE）

LPAE是v7-A體系結(jié)構(gòu)的可選部分，并且在Cortex-A7和Cortex-A15處理器上實(shí)現(xiàn)，它允許32位處理器由原來(lái)通常最大的4 GB訪問(wèn)空間擴(kuò)展到1 TB的訪問(wèn)空間，這1 TB是通過(guò)把32位虛擬內(nèi)存地址轉(zhuǎn)換成40位物理內(nèi)存地址得來(lái)的。這部分請(qǐng)查閱11.9節(jié)。

9．虛擬化

ARM處理器的虛擬化擴(kuò)展也是ARMv7-A體系結(jié)構(gòu)文件的可選擴(kuò)展，此擴(kuò)展可支持通過(guò)虛擬機(jī)監(jiān)視器（稱為虛擬機(jī)超級(jí)管理員）從一個(gè)操作系統(tǒng)切換到另一個(gè)。當(dāng)在一個(gè)單處理器和多處理器系統(tǒng)中執(zhí)行時(shí)，虛擬化擴(kuò)展可支持在一個(gè)處理器上運(yùn)行多個(gè)虛擬機(jī)，請(qǐng)參閱第28章。

10．big.LITTLE大小模式

big.LITTLE大小模式處理被引入到ARMv7體系結(jié)構(gòu)中，可解決行業(yè)當(dāng)前的的挑戰(zhàn)，即如何創(chuàng)建既有高性能又有極佳節(jié)能效果的片上系統(tǒng)（SoC）以延長(zhǎng)電池使用壽命。big.LITTLE采用了高性能的Cortex-A15處理器，再加上一個(gè)高效節(jié)能的Cortex-A7處理器，Cortex-A15處理器可被用于繁重的工作量，Cortex-A7處理器可以承擔(dān)移動(dòng)設(shè)備的大部分工作。第29章將詳細(xì)描述big.LITTLE。