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详解ARM处理器历史和架构:告诉你RISC与CISC是什么(2)

2012-09-18 22:45 浏览:

渐入佳境、架构变更

  真正商业化的处理器为ARM2,ARM1处理器架构为ARMv1,到了ARM2更新到ARMv2,这一代新增乘法器在核心之中。ARMv2的进阶版ARMv2a则是多包了记忆体管理核心、绘图及I/O处理器。接下来的ARM3,处理器架构ARMv2a,是第一次于CPU里内建了4KB快取。1990年,Acorn开始与苹果电脑合作发展新一代的ARM晶片,特地还为此设立了一间公司,称为Advanced RISC Machines公司。最初财务吃紧,办公室仅为一个谷仓,成员也仅有12人。原本ARM所代表的Acorn RISC Machine,也在此时更换为Advanced RISC Machine。

  1991年发展出的ARM6,处理器架构更新为ARMv3,主要扩展记忆体定址线。之前的ARM产品都只有26bit的记忆体定址线,最大可支援64MB的记忆体。从ARM6开始,完整支援32位元记忆体定址,最大支援到4GB。在此离题一下,ARM6处理器家族下的ARM610处理器,曾经用在苹果电脑的Newton Message Pad上头,Newton也被视为现今PDA与Smart Phone的始祖。

开始大卖的ARM7

  1993年推出的ARM7延续着ARMv3核心,但是由于制程的进步,快取加大至8KB,时脉也一举拉高至40MHz。

  ARM7TDMI(处理器架构ARMv4T),除了原本的32位元指令集外,还新增了Thumb,也就是精简过的16位元指令集,让编译出来的程式可以缩小程式码体积,官方表示与标准的ARM指令集相比,可以缩小35%的程式码体积,又能享受32位元架构所带来的效能提升。Thumb指令在执行时会通过处理器内一个叫做Thumb解码器的东西,及时解压成32位元ARM指令,同时也可受惠于32bit的记忆体汇流排,加速指令与资料的载入。

  但之后的ARM8家族和Digital Equipment Corporation向ARM买授权自行制作的处理器StrongARM,都不支援Thumb。

  ARM7EJ的处理器架构为ARMv5TEJ,直接加入称为​​Jazelle DBX的运算电路,能够以硬体加速大部分的Java bytecode,提升Java程式的执行效率;同时也新增适合处理DSP的指令,如饱和运算( saturated arithmetic)可以加速多媒体应用。

Java的执行方式

  程式设计师以Java语言写出程式后,经过编译器编译成Java bytecode档,执行时便把这个Java bytecode丢入一个称作JVM(Java Virtual Machine)的模拟器里执行,在各种平台上都有不同的JVM,所以编译过后的Java bytecode能够跨平台执行。

  饱和运算(saturated arithmetic)

  正常以二进位表示为11111111(255)+00000001(1)=100000000(256),但是一个8bit的加法器,当输入255+1的指令后,计算出来的结果将​​会是0。因为处理器只有8bit,最高位会产生数值溢位,实际交由8bit加法器运算将变成11111111(255)+00000001(1)=00000000(0)。但是当处理器支援饱和运算后,255+1的结果将变成255,经计算后的数值资料只会顶天立地(该资料类型的最大值或最小值),不会产生overflow或是underflow。

更换为哈佛架构

  ARM9处理器家族内部处理器架构为ARMv5TE,导入了相当重要的架构更新,以往ARM和x86处理器都是采用冯‧纽曼架构,意即中央处理器和储存装置是分开的,中央处理器到储存装置中读取一段程式码执行,而不同程式码可以造成不同的执行结果。相较于古早时代的电脑,一旦要执行不同的程式码时,必须更动硬体设计,重新接线。约翰‧冯‧纽曼在1945年的论文中提出这个处理单元和储存单元分离的概念,对于后来电脑发展有相当重大的影响。

  哈佛架构则是冯‧纽曼架构的延伸,哈佛架构更进一步定义了程式和资料是由两个独立的空间储存,同时也有两个记忆体控制单元分别操作。读取程式后解码便得到资料位址,再到资料记忆体中读取资料。此种架构好处在于指令和资料的记忆体操作能够同时进行,当处理器在运算资料时,便可以先行撷取下一道指令。

  ▲冯‧纽曼架构,程式和资料储存在同一个记忆体中。

 

  ▲哈佛架构,程式和资料分开储存至不同的记忆体中。

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