ARM 指令格式和时序2

sumbo

 

流水线

不同于微编码的处理器，ARM (保持它的 RISC 性)是完全硬布线的。

为了加速 ARM 2 和 3 的执行使用 3 阶段流水线。第一阶段持有从内存中取回的指令。第二阶段开始解码，而第三阶段实际执行它。故此，程序计数器总是超出当前执行的指令两个指令。(在为分支指令计算偏移量时必须计算在内)。

因为有这个流水线，在分支时丢失 2 个指令周期(因为要重新添满流水线)。所以最好利用条件执行指令来避免浪费周期。例如:

	...
	CMP R0,#0
	BEQ over
	MOV R1,#1
	MOV R2,#2
over
	...

可以写为更有效的:

	...
	CMP R0,#0
	MOVNE R1,#1
	MOVNE R2,#2
	...

　

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时序

ARM 指令在时序上是 S、N、I 和 C 周期的混合。

S 周期是 ARM 在其中访问一个顺序的内存位置的周期。

N 周期是 ARM 在其中访问一个非顺序的内存位置的周期。

I 周期是 ARM 在其中不尝试访问一个内存位置或传送一个字到/从一个协处理器的周期。

C 周期是 ARM 在其中与一个协处理器之间在数据总线(对于无缓存的 ARM)或协处理器总线(对于有缓存的 ARM)上写传送一个字的周期。

各种类型的周期都必须至少与 ARM 的时钟周期一样长。内存系统可以伸展它们: 对于典型的 DRAM 系统，结果是:

• N 周期变成最小长度的两倍(主要因为 DRAM 在内存访问是非顺序时要求更长的访问协议)。
• S 周期通常是最小长度，但偶尔也会被伸展成 N 周期的长度(在你从一个内存“行”的最后一个字移动到下一行的第一个字的时候[1])。
• I 周期和 C 周期总是最小长度。

对于典型的 SRAM 系统，所有类型的周期典型的都是最小长度。

在 Acorn Archimedes A440/1 使用的 8MHz ARM2 中，一个 S (顺序) 周期是 125ns 而一个 N (非顺序) 周期是 250ns。应当注意到这些时序不是 ARM 的属性，而是内存系统的属性。例如，一个 8MHz ARM2 可以与一个给出 125ns 的 N 周期的 RAM 系统相连接。处理器的速率是 8MHz 只是简单的意味着如果你使任何类型的周期在长度上小于 125ns 则它不保证能够工作。

有缓存的处理器: 所有给出的信息依据 ARM 所见到的时钟周期。它们不按固定的速率发生: 缓存控制逻辑在 cache 不中的时候改变提供给 ARM 的时钟周期来源。

典型的，有缓存的 ARM 有两个时钟输入: “快速时钟” FCLK 和“内存时钟”MCLK。 在 cache 命中的时候，ARM 的时钟使用 FCLK 的速度并且所有类型的周期都是最小的长度: 从这点上看 cache 在效果上是某种 SRAM。在 cache 不中发生的时候，ARM 的时钟同步为 MCLK，接着以 MCLK 速度进行 cache 行添充(依赖于在处理器中涉及的 cache 行的长度使用 N+3S 或 N+7S 个周期)，接着 ARM 的时钟被同步回到 FCLK。

在发生内存访问的时候，ARM 将守时操作(be clocked): 但是，可以使用一个叫 NWAIT 的输入来导致涉及到的 ARM 周期不做任何事情，直到正确的字从内存中到来，并在仍有余下的字到来的时候通常不做任何事情(为了避免在 cache 仍忙于重新填充 cache 行的时候得到进一步的内存请求)。有缓存的 ARM 可以被配置成使用 FCLK 和 MCLK 来相互同步(所以 FCLK 是准确的 MCLK 倍数，并且每个 MCLK 时钟周期与一个 FCLK 周期同时开始)或异步的(这种情况下 FCLK 和 MCLK 周期相互之间可以有任何关系)使情况更加复杂。

情况非常复杂。这些行为的近似的描述是，在一个 cache 行不中发生的时候，它所涉及的周期耗用以 MCLK 周期为单位的 cache 行重填充时间(例如，N+3S 或 N+7S)，对于 N 周期和 S 周期可能按 DRAM 所描述的那样被伸展，加上一些更多的周期用于重新同步阶段。要得到详情，你需要得到所涉及的处理器的 datasheet。

脚注 1: 内存控制器意图使用这个简单的策略: 如果请求一个 N 周期，则把访问作为不在同一行来对待；如果请求一个 S 周期，除非它效果上是这行的最后一个字(可以被快速检测出来)，否则把访问作为同行来对待。结果是一些 S 周期将持续与 N 周期相同的时间；如果我记得正确，在 Archimedes 上 S 周期所访问的内存被按 16 字节来分开。对于 Archimedes 代码的实际后果是: (a) 大约 4 个 S 周期中的 1 个变成一个 N 周期，为此，所有地址都是字地址并按 4 来分开；(b) 有时值得仔细关照对齐代码来避免这种效果并得到一些额外的性能。)

　

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指令

每个 ARM 指令都是 32 位宽，下面给出详细的解释。对于每个指令类，我们给出指令位图(bitmap)，和典型汇编器使用的语法的例子。

一定要注意助记符的语法不是固定的；它是汇编器的特性，而不是 ARM 机器编码的。