嵌入式系统设计大学教程 - 习题与解答

第3章 ARM体系结构及基于ARM9处理器的嵌入式系统硬件平台OMAP5912

1、试比较RISC和CISC体系结构的异同，为什么ARM内核要采用RISC体系结构？（P47）

答：ARM体系结构总的设计思路是在不牺牲性能的同时尽可能简化处理器。同时从体系结构的层面上支持灵活的处理器扩展。这种简化和开放的思路使ARM处理器采用了很简单的结构——精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computer，RISC）体系结构来进行实现。

传统的复杂指令集计算机（Complex Instruction Set Computer，CISC）结构有其固有的缺点，即随着计算机技术的发展而不断引入新的复杂的指令集，为支持这些新增的指令，计算机的体系结构会越来越复杂，然而，在CISC指令集的各种指令中，其使用频率却相差悬殊，大约有20％的指令会被反复使用，占整个程序代码的80％。而余下的80％的指令却不经常使用，在程序设计中只占20％，显然，这种结构是不太合理的。

基于以上的不合理性，1979年美国加州大学伯克利分校提出了RISC的概念。

RISC并非只是简单地去减少指令。RISC是一种设计思想，其目标是设计出一套能在高时钟频率下单周期执行、简单而有效的指令集。RISC的设计重点在于降低由硬件执行的指令的复杂度，因为软件比硬件容易提供更大的灵活性和更高的智能。因此，RICS设计对编译

器有更高的要求；相反，传统的CISC则更侧重于硬件执行指令的功能性，使CISC指令变得更复杂。

2、简述ARM的设计思想及其与单纯的RISC定义的不同。（P48~49） 答：ARM内核并不是一个纯粹的RISC体系结构，这是为了使它能够更好地适应其主要应用领域——嵌入式系统。为了使ARM指令集能够更好地满足嵌入式应用的需要，ARM指令集和单纯的RISC定义有以下几个方面的不同：

? 一些特定的指令周期数可变——并不是所有的ARM指令都是单周期的。例如：多寄存器装载/存储的Load/Store指令的执行周期就是不确定的，必须根据被传送的寄存器个数来定。如果是访问连续的存储器地址，就可以改善性能，因为连续的内存访问通常比随机访问要快；同时，代码密度也得到了提高，因为在函数的起始和结尾，多个寄存器的传输是很常用的操作。

? 内嵌桶形移位器产生了更为复杂的指令——内嵌桶形移位器是一个硬件部件，在一个输入寄存器被一条指令使用之前，内嵌桶形移位器可以处理该寄存器中的数据。它扩展了许多指令的功能，以此改善了内核性能，提高了代码密度。

? Thumb 16位指令集——ARM内核增加了一套称之为Thumb指令的16位指令集，使得内核既能够执行16位指令，也能够执行32位指令，从而增强了ARM内核的功能。16位指令与

32位的定长指令相比较，代码密度可以提高约30%。 ? 条件执行——只有当某个特定条件满足时指令才会被执行。这个特性可以减少分支指令的数目，从而改善性能，提高代码密度。

3、ARM体系结构发展过程中，主要有哪些变种，对各变种做简要介绍。（P49~50）

答：我们将在ARM体系中增加的某些特定功能称为ARM体系的某种变种（variant），下面介绍ARM体系的一些变种形式。 （1）Thumb指令集（T变种）

Thumb指令集是将ARM指令集的一个子集重新编码而形成的一个指令集。ARM指令长度为32位，Thumb指令长度为16位。这样，使用Thumb指令集可以得到密度更高的代码，这对于需要严格控制产品成本的设计非常有意义。 （2）长乘法指令（M变种）

M变种增加了两条用于进行长乘法操作的ARM指令：其中一条指令用于实现32位整数乘以32位整数，生成64位整数的长乘法操作，另一条指令用于实现32位整数乘以32位整数，然后再加上32位整数，生成64位整数的长乘加操作。 （3）增强型DSP指令（E变种）

E变种包含了一些附加的指令，这些指令用于增强处理器对一些典型DSP算法的处理性能，主要包括：几条新的实现16位数据乘法

和乘加操作的指令，实现饱和的带符号数的加减法操作的指令。 （4）Java加速器Jazelle（J变种）

ARM的Jazelle技术将Java的优势和先进的32位RISC芯片完美地结合在一起。Jazelle技术提供了Java加速功能，可以得到比普通Java虚拟机高得多的性能。与普通的Java虚拟机相比，Jazelle使Java代码运行速度提高了3倍，而功耗降低了80%。

Jazelle技术使得程序员可以在一个单独的处理器上同时运行Java应用程序、已经建立好的操作系统、中间件以及其他应用程序。与使用协处理器和双处理器相比，使用单独的处理器可以在提供高性能的同时，保证低功耗和低成本。

（5）ARM媒体功能扩展（SIMD变种）

SIMD变种的主要特点是：可以同时进行两个16位操作数或者4个8位操作数的运算，提供了小数算术运算，用户可以定义饱和运算的模式，两套16位操作数的乘加/乘减运算，32位乘以32位的小数MAC，同时8位/16位选择操作。

4、ARM体系结构版本的命名规则有哪些？简单说明ARM7TDMI的含义。（P50）

答：ARM产品通常以ARM[x][y][z][T][D][M][I][E][J][F][-S]形式出现。ARM体系结构的命令规则中这些后缀的具体含义见表3-2。ARM7TDMI的含义即ARM7内核，增加了Thumb指令集（T变种）、JTAG调试器、长乘法指令（M变种）和嵌入式跟踪宏单元的功能。