ARM體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展之：ARMv6增加的系統(tǒng)支持

16.2ARMv6增加的系統(tǒng)支持

為了滿足目前無線網(wǎng)絡(luò)、汽車電子和消費(fèi)類電子產(chǎn)品不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)需要，ARM公司在ARMv6中引入新的技術(shù)和結(jié)構(gòu)組成，包括增強(qiáng)的DSP支持和對(duì)多處理器環(huán)境的支持。

由于在ARMv6體系結(jié)構(gòu)中引入新的存儲(chǔ)管理機(jī)制，處理器的整體性能得到提高。在新的體系結(jié)構(gòu)中，平均指令預(yù)取和數(shù)據(jù)等待時(shí)間大幅度減少，存取過程中Cache命中率顯著提高。由于存儲(chǔ)機(jī)制的改善，系統(tǒng)整體性能的提高達(dá)到30％。

另外，存儲(chǔ)系統(tǒng)的改善使系統(tǒng)總線（BUS）使用更加合理，從而減少了系統(tǒng)總線使用頻度，降低了系統(tǒng)功耗。

圖16.2顯示了ARMv6體系結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)系統(tǒng)示意圖。

圖16.2ARMv6存儲(chǔ)系統(tǒng)示意圖

ARMv6采用“分層”的存儲(chǔ)管理，存儲(chǔ)層次的最頂層在處理器內(nèi)核中。該存儲(chǔ)器被稱為寄存器文件（registerfile）。這些寄存器被集成在處理器內(nèi)核中，在系統(tǒng)中提供最快的存儲(chǔ)訪問。

ARMv6體系結(jié)構(gòu)處理器使用物理索引Cache（Physicallytaggedcaches），即地址轉(zhuǎn)換在CPU和Cache之間，這樣就減少了CPU在運(yùn)行大的操作系統(tǒng)時(shí)由于上下文切換而帶來的系統(tǒng)開銷。使用這種物理Cache，可以使CPU的整體性能提高近20％。

為了減少在內(nèi)容轉(zhuǎn)換時(shí)，刷新Cache的CPU開銷，ARMv6將L1Cache構(gòu)建為使用物理尋址的存儲(chǔ)系統(tǒng)。系統(tǒng)中設(shè)有TCM作為物理可尋址的快速訪問內(nèi)存，存在于存儲(chǔ)系統(tǒng)中，作為Cache的補(bǔ)充。無論Cache還是TCM，都可以配置為指令和數(shù)據(jù)分離的Harvard架構(gòu)或指令和數(shù)據(jù)統(tǒng)一的馮·諾依曼架構(gòu)。另外，L1DMA子系統(tǒng)可以使數(shù)據(jù)在沒有CPU參與的情況下，直接和TCM進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

在ARMv6體系結(jié)構(gòu)中，頁(yè)表格式也發(fā)生了變化。圖16.3顯示了新的一級(jí)頁(yè)表格式。

圖16.3ARMv6頁(yè)表格式

協(xié)處理器CP15中的XP-bit可以指定是否使用這種新的頁(yè)表格式。如果不設(shè)置該位，則系統(tǒng)繼續(xù)使用ARMv5架構(gòu)的頁(yè)表格式。

從圖16.3可以看出，新的頁(yè)表格式增加了以下特性：

·XN：從不執(zhí)行位（executeneverbit）。

·nG：非全局地址映射位（notGlobalbitforaddressmatching）。

應(yīng)用程序空間指示ASID（ApplicationSpaceIdentifier）是ARMv6體系中增加的又一關(guān)鍵特性。當(dāng)nG位置位時(shí)，地址轉(zhuǎn)換使用虛擬地址和ASID相結(jié)合的方法以減少上下文切換的時(shí)間。同時(shí)，應(yīng)用程序空間指示提供了一種任務(wù)可知調(diào)試方法（task-awaredebugging）。

有關(guān)ARMv6存儲(chǔ)系統(tǒng)的詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參閱ARM相關(guān)文檔。

為了提高地址轉(zhuǎn)換的處理速度，ARMv6體系結(jié)構(gòu)中增加了一個(gè)新的頁(yè)表基地址寄存器，以存儲(chǔ)二級(jí)頁(yè)表的基地址。CP15同時(shí)支持TTBR0和TTBR1。專門的控制寄存器用來保存用戶設(shè)定的整數(shù)N，N的取值范圍為0～7。當(dāng)N的值不等于0時(shí)，0～232－N的地址空間使用TTBR0，而其他空間使用TTBR1進(jìn)行傳輸控制。一級(jí)頁(yè)表根據(jù)N取值的不同，占有128bytes～16KB存儲(chǔ)空間。

由于片上系統(tǒng)Soc結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，ARM內(nèi)核現(xiàn)在經(jīng)常被用于有多個(gè)處理單元的設(shè)備，這些處理單元競(jìng)爭(zhēng)使用系統(tǒng)的共享資源。為了滿足多處理單元任務(wù)間同步的需要，Load/Store互斥指令引入到新的ARMv6體系結(jié)構(gòu)中來。新指令包括：

·LDREX：加載互斥指令。

·STREX：存儲(chǔ)互斥指令。

LDREX指令從存儲(chǔ)器中裝載一個(gè)值到寄存器，在處理這個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，不會(huì)有任何其他因素改變?cè)撝?。STREX指令存儲(chǔ)一個(gè)值到寄存器，并返回一個(gè)指示值。

ARMv6體系結(jié)構(gòu)提供了對(duì)向量中斷（vectoredInterrupt）的支持。向量中斷控制器（VIC，VectoredInterruptController）由CP15的寄存器1中的VE–bit來控制。當(dāng)向量中斷控制器使能時(shí)，該控制器可以向CPU提供發(fā)生中斷的向量。

另外，在ARMv6的體系結(jié)構(gòu)中，程序狀態(tài)寄存器CPSR擴(kuò)展了A位來控制Abort異常。這種機(jī)制類似于程序狀態(tài)寄存器CPSR中I和Fbit對(duì)IRQ和FIQ的控制。

操作系統(tǒng)通常在堆棧中保存一次中斷或異常處理的返回狀態(tài)。ARMv6增加了新的指令來提高這類操作的效率。這種操作在中斷/調(diào)度程序驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，出現(xiàn)的頻率是很高的。這些新增加的指令包括：

·SRS：保存返回狀態(tài)在特定模式的堆棧中。

·RFE：異常返回。

·CPSID/CPSIE：改變處理器狀態(tài)，開中斷或關(guān)中斷。

AMRv6體系結(jié)構(gòu)中增加了同時(shí)處理大端和小端數(shù)據(jù)的能力。新增加了指令SETEND來設(shè)置一段代碼處理數(shù)據(jù)的字節(jié)排列方式，另外還增加了一些單獨(dú)的處理指令來提高在混和大小端環(huán)境下的處理效率。

指令SETEND的標(biāo)準(zhǔn)格式如下：

SETEND<endian_specifier>

該指令根據(jù)參數(shù)<endian_specifier>的值來改變默認(rèn)的數(shù)據(jù)端格式。

SETEND指令的設(shè)置直接和程序狀態(tài)寄存器CPSR中新增加的E位相對(duì)應(yīng)。E位對(duì)數(shù)據(jù)大小端的控制如圖16.4所示。

為了進(jìn)一步提高體系結(jié)構(gòu)的DSP和媒體處理能力，單指令流多數(shù)據(jù)流（SIMD）技術(shù)被引入到ARMv6體系結(jié)構(gòu)中。這種技術(shù)對(duì)于處理大量復(fù)雜運(yùn)算和并行地存儲(chǔ)大流量數(shù)據(jù)十分有效。

圖16.4E位對(duì)數(shù)據(jù)大小端的控制

ARMv6對(duì)SIMD的實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單而又不失其靈活性。它將現(xiàn)存的32位ARM數(shù)據(jù)通道劃分成4個(gè)8位或2個(gè)16位的片段，為SIMD操作增加了獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線。這種實(shí)現(xiàn)方法硬件代價(jià)小，遵循了ARM低功耗、高計(jì)算效率的設(shè)計(jì)原則。

為了支持SIMD算法，ARMv6中引入一些新的指令，有關(guān)這些指令的詳細(xì)信息請(qǐng)參閱ARM的相關(guān)文檔。