Advanced RISC Machines

Рисунок 10: Конвейерная выборка, декодирование  и выполнение

Декодирование и выполнение в едином цикле 

 

    И ARM7 и ARM7T ядра в  одном тактовом цикле, используют 3-уровневый  конвейер с фазами выборки, декодирования и выполнения. Поток команд через каждый уровень конвейера управляется высокими и низкими фазами тактового сигнала. В ядре ARM7TDMI неиспользуемая фаза тактового сигнала используется для декомпрессирования команд Thumb в каскаде декодирования. Следовательно, в одном тактовом цикле производится и декодирование и выполнение команды, не требуется никаких дополнительных непроизводительных затрат синхронизации.

Рисунок 11: Thumb декодирование и декомпрессия

 

    Команды ARM, поступающие из каскада выборки конвейера, проходят через декодер ARM и активируют сигналы управления старшими и младшими битами операционного кода. Старшие биты опкода описывают тип выполняемой команды, тогда как младшие биты определяют детали команды типа определения регистров или операнда.     

В Thumb состоянии мультиплексоры направляют Thumb команды через логику декомпрессии Thumb, разворачивающую команду Thumb в  ее эквивалент ARM команды . Затем команда ARM выполняется в нормальном режиме. Это легко понять на примере:

Рисунок 12: Трансляция команды ADD Thumb в  команду ADD ARM

Изящное решение

 

    Как видно из рисунка, старший опкод команды Thumb помещается в команду ARM, а младший  транслируется через справочную таблицу.    

В команде ARM всегда присутствует код условия, определяемый из старшим операционным кодом.    

Старший опкод определяет маршрут  операнда от операционного кода Thumb до операционного кода ARM. Определители регистров расширяются дополнительным нулем от опкода Thumb (3 бита) до 4 битов, поскольку эта команда Thumb обращается только к регистрам ARM R0-R7. Значение константы также расширяется нулями, определяя 8-разрядную константу в опкоде ARM.    

Это изящное решение применимо  на любом ядре ARM и будет использоваться в перспективных ARM архитектурах.

Аспекты программного обеспечения

36 команд

 

    Система команд Thumb содержит 16-разрядные эквиваленты 36 команд, находящихся в стандартной 32-разрядной системе команд ARM. Для  системы команд Thumb выбраны те команды ARM, которые, в среднем, не обеспечивают преимуществ полноформатных стандартных 32-разрядных операционных кодов ARM, или те, в отношении которых опыт показал, что они используются наиболее часто и, следовательно, являются наиболее важными, или те которые необходимы компилятору, для того чтобы обеспечить наилучшую возможную плотность кода.

Компромисс производительность/плотность  кода

 

    Процесс формирования команд Thumb заключался в сокращении полей всех наиболее часто используемых команд ARM до тех пор, пока они не стали 16-разрядными. Полученная в результате система команд затем обрабатывалась последовательностью итераций, обеспечивавшей наибольшее количество битов опкодам наиболее употребительных команд (например, вызовам подпрограмм, которые составляют 1/16 системы команд) и удаление битов из менее критических команд до тех пор, пока не было получено наилучшее соотношение производительность/плотность кода. Система команд была ориентирована и на перспективу, в операционных кодах оставлено пространство для новых команд, которые будут вводиться разработчиками программного обеспечения и которые должны будут поддерживаться новыми версиями компилятора.    

При создании 16-разрядных операционных кодов, в систему команд Thumb были введены некоторые ограничения . Наиболее очевидные: уменьшенное  число регистров, доступных при выполнении кода Thumb. Вместо пятнадцати 32-разрядных регистров общего назначения (GPR) плюс PC процессора ARM, программист имеет доступ к восьми GPR регистрам, указателю стека, регистру связей (Link Register) и PC. В системе команд Thumb, восемь GPR регистров (R0-R7) называются Lo набором регистров. Другие регистры ARM (R8-R15) обозначаются как Hi регистры. Программист в Thumb режиме ограничен доступом к Hi регистрам через команды перемещения, сравнения и команду ADD , предоставляющие ему некоторую локальную быструю временную среду хранения. Переключения между ARM и Thumb кодами не влияют на содержимое GPR регистров.

Рисунок 13: Отображение Thumb регистров  состояния на регистры состояния ARM

Бит состояния Thumb/ARM

 

    Переключения между системами команд выполняются командой BX, которая изменяет логическое состояние бита Thumb/ARM в регистре состояния программы (PSR) Thumb-ориентированного ядра. Этот бит и команда и обеспечивают то, что подпрограммы в Thumb и ARM кодах могут находиться вместе в одном и том же пространстве памяти:    

Новая мнемоника включает команды ASR, LSL, LSR, ROR, LDRH, LDSB, LDSH, PUSH, POP и STRH. Это  не новые команды, но они действительно  соответствуют полным 32-разрядным  командам ARM, поскольку виртуально каждой команде Thumb соответствует эквивалентная команда ARM.

Возможность работы с памятью большой  емкости

 

    Потребность встраиваемых применений в памяти большой емкости  продолжает расти. Следовательно, для  обеспечения длительного использования  приборов они должны быть способны обрабатывать память большой емкости. В ARM состоянии с его 4 Гбайтами адресного пространства это - не проблема. Нет проблем и в режиме Thumb, так как Thumb-ориентированные ядра - такие же полные 32-разрядные процессоры с 32-разрядным адресным пространством. В принципе, 16-разрядные коды операций ограничивают максимальное адресуемое пространство 64 Кбайтами, но система команд Thumb обеспечивает выполнение и длинной команды перехода в адресном пространстве до 4 Мбайтов и полные переходы в пределах 4 Гбайтового пространства посредством двух команд.

Thumb код в действии

Простая подпрограмма на языке C

 

    Ниже приводится простая подпрограмма на языке C, показывающая различия между кодами ARM и Thumb. Эта  подпрограмма возвращает абсолютную величину целого числа C, переданного ему как параметр.    

Код на языке C:

if (x>=0)
	return x;
else
	return -x;

 

Эквивалент ARM ассемблерной версии - (исключая преамбулу):

Iabs     CMP     r0, #0     ; Сравнить r0 с нулем    RSBLT     r0, r0, #0     ; Если r0 < 0 (меньше чем = LT), то выполнить                 ; r0 = 0-r0    MOV     pc, lr     ; Переместить Linc Register в PC (Возврат)

 

Версия Thumb ассемблирования:

CODE16             ; Директива, определяющая 16-разрядную (Thumb) команду Iabs     CMP     r0, #0     ; Сравнить r0 с нулем    BGE     return     ; Перейти к Return если больше или равно нулю    NEG     r0, r0     ; Если нет, инвертировать r0 return     MOV     pc, lr     ; Переместить Link регистр в PC (Возврат)

 

    Размеры кода для обоих версий показываются в таблице.

Таблица 1: Размер кода для подпрограммы абсолютной величины

Код	Количество команд	Размер (байты)	Соотношение
ARM	3	12	1,0
Thumb	4	8	0,67

 

Меньший размер ассемблированного  кода Thumb

 

    Сравнение, приведенное в таблице 1 показывает, что код Thumb - на 33 % плотнее кода ARM, реализующего точно такую же функцию. Обратите внимание на то, что для выполнения задачи в коде Thumb необходимо большее количество команд чем в эквиваленте ARM. Однако, поскольку формат команды Thumb - только половина длины команд ARM, то общий размер подпрограммы в коде Thumb все же меньше.

Пример кодирования вручную 

 

    Как пример кодирования  вручную, рассмотрим пример преобразования двоичного значения в шестнадцатиричное :     

Код ARM:

MOV     r1, r0         ; r0 хранит значение для преобразования                  ; загрузить r1 хранимым значением MOV     r2, #8         ; Загрузить в r2 десятичное число 8 Loop:     MOV     r1, r1, ROR #28 ; Вращать r1 вправо на 28 и результат сохранить в r1    AND     r0, r1, #15     ; Выполнить AND содержимого r1 с десятичным числом 15    CMP     r0, #10     ; Сравнить r0 с десятичным числом 10 и    ADDLT    r0, r0, #0     ; если оно меньше чем 10, то                 ; ADD ASCII значение 0 к r0    ADDGE    r0, r0, #A     ; в ином случае (больше или равно)                 ; ADD ASCII значение A к r0    SWI 0             ; подпрограмма вывода char на экран     SUBS     r2, r2, #1     ; Вычесть 1 из r2 BGT     Loop             ; и вернуться обратно к 1, если r2 все еще больше чем нуль    MOV     pc, lr     ; Загрузить PC содержимым Link регистра (Возврат)

 

    Код Thumb:    

Код ARM:

MOV     r1, r0         ; Преобразуемое значение, хранящееся в r0 загрузить в r1 MOV     r2, #8         ; Поместить 8 в r2 Loop1     LSR     r0, r1, #28    ; Выполнить логический сдвиг r1 вправо                  ; на 28 мест и поместить в r0    LSL     r1, r1, #4     ; Выполнить логический сдвиг r1 влево на 4 места    CMP     r0, #10     ; Сравнить r0 с 10 и    BLT     Loop2         ; если меньше чем 10, выполнить переход к Loop2    ADD     r0, #A-0-10 ; Выполнить ADD ASCII значений A-0-10 (7) к r0 Loop2     ADD     r0, #0     ; Выполнить ADD ASCII значения 0 (48) к r0    SWI 0             ; Подпрограмма записи char на экран    SUB     r2, #1     ; Вычесть 1 из r2 и, BNE     Loop1             ; если незакончено loop1,    MOV     pc, lr     ; загрузить PC содержимым Link регистра                  ; (Возврат)

 

    Cоответствующие  размеры ARM и Thumb кодов показаны  ниже.

Таблица 2: Размеры кодов подпрограмм  преобразования двоичной величины в  шестнадцатиричную 

Код	Количество команд	Размер (Байты)	Соотношение
ARM	11	44	1,0
Thumb	12	24	0,55

 

    В данном случае код Thumb оказывается на 45% более плотным  чем эквивалентный код ARM, в точно таком же алгоритме.

Таблица 3: Система команд Thumb

Мнемоника	Команда	Пример	Эквивалент кода ARM
ADC	Сложить с переносом	ADC Rd, Rs	ADCS Rd, Rd, Rs
ADD	Сложить	ADD Rd, Rs, Rn	ADD Rd, Rs, Rn
AND	Выполнить AND	AND Rd, Rs	ANDS Rd, Rd, Rs
ASR	Арифметически сдвинуть вправо	ASR Rd, Rs	MOVS Rd, Rd, ASR Rs
B	Перейти безусловно	B label	B label
BCC	BCC label	BCC label
BIC	Очистить бит	BIC Rd, Rs	BICS Rd, Rd, Rs
BL	Перейти и связать	BL label	BL label
BX	Перейти и обменять	BX Hs	BX Hs
CMN	Отрицательно сравнить	CMN Rd, Rs	CMN Rd, Rs
CMP	Сравнить	CMP Rd, #Offset8	CMP Rd, #Offset8
EOR	EOR	EOR Rd, Rs	EORS Rd, Rd, Rs
LDMIA	Загрузить множество	LDMIA Rb!, {Rlist}	LDMIA Rb!, {Rlist}
LDR	Загрузить слово	LDR Rd, [PC, #lmm]	LDR Rd, [PC, #lmm]
LDRB	Загрузить байт	LDRB Rd, [Rb, Ro]	LDRB Rd, [Rb, Ro]
LDRH	Загрузить полуслово	LDRH Rd, [Rb, #lmm]	LDRH Rd, [Rb, #lmm]
LSL	Логически сдвинуть влево	LSL Rd, Rs, #Offset5	MOVS Rd, Rs, LSL #Offset5
LDRSB	Загрузить байт со знаком	LDRSB Rd, [Rb, Ro]	LDRSB Rd, [Rb, Ro]
LDRSH	Загрузить полуслово со знаком	LDRSH Rd, [Rb, Ro]	LDRSH Rd, [Rb, Ro]
LSR	Логически сдвинуть вправо	LSR Rd, Rs	MOVS Rd, Rd, LSR Rs
MOV	Переместить содержимое регистра	MOV Rd, #Offset8	MOVS Rd, #Offset8
MUL	Перемножить	MUL Rd, Rs	MULS Rd, Rs, Rd
MVN	Переместить NOT регистр	MVN Rd, Rs	MVNS Rd, Rs
NEG	Отрицать	NEG Rd, Rs	RSBS Rd, Rs, #0
ORR	Выполнить OR	ORR Rd, Rs	ORRS Rd, Rd, Rs
POP	Поднять регистр	POP {Rlist}	LDMIA R13!, {Rlist}
PUSH	Опустить  регистр	PUSH {Rlist}	STMDB R13!, {Rlist}
ROR	Вращать вправо	ROR Rd, Rs	MOVS Rd, Rd, ROR Rs
SBC	Вычесть с переносом	SBC Rd, Rs	SBCS Rd, Rd, Rs
STMIA	Сохранить множество	STMIA Rb!, {Rlist}	STMIA Rb!, {Rlist}
STR	Сохранить слово	STR Rd, [Rb, Ro]	STR Rd, [Rb, Ro]
STRB	Сохранить байт	STRB Rd, [Rb, Ro]	STRB Rd, [Rb, Ro]
STRH	Сохранить полуслово	STRH Rd, [Rb, Ro]	STRH Rd, [Rb, Ro]
SWI	Программное прерывание	SWI Value8	SWI Value8
SUB	Вычесть	SUB Rd, Rs, Rn	SUBS Rd, Rs, Rn
TST	Тестировать биты	TST Rd, Rs	TST Rd, Rs

 

Mаршрут разработки программного обеспечения

 

    Мы рекомендуем  использовать комплекта инструментальных средств разработки программного обеспечения  фирмы ARM (ARM Software Development Toolkit).

Тестирование Thumb

 

    Чтобы получить полное представление о производительности ARM7TDMI Thumb-ориентированного ядра относительно альтернативных решений, фирма ARM сформировала комплект эталонных тестов, которые проверяют два критических аспекта концепции Thumb:

1. Тестирование размера кода
2. Тестирование производительности

Тестирование размера кода

 

    Патентованными  методами сжатия кода, концепция Thumb привносит 32-разрядную производительность в 16-разрядные  системы при обеспечении 16-разрядной  стоимости систем. Эталонное тестирование размера кода, отслеживает эффективность  этого решения в обеспечении разработчиков минимальным, возможным в 8/16-разрядных системах, размером кода.     

Принимаемый подход был использован Micrologic Solutions для получения результатов  для Espresso, Xlisp и Eqntott. Эти подпрограммы были взяты из SPECint набора программ эталонного тестирования. Значения для четырех популярных конкурирующих процессоров были получены с от третьих поставщиков. Данные для ARM7TDMI Thumb-ориентированного ядра были сгенерированы с использованием C компилятора ARM Thumb, описанного в Software Development Route.

Таблица 4: Размер кода пользователя в  байтах для трех эталонных тестов 
Источник: Micrologic Solutions

Процессор	Eqntott	Xlisp	Espresso
ARM7TDMI	10608	26388	72596
ARM7 ядро	16768	40768	109932
Intel 386	17640	28097	125686
Intel 8088	19106	29401	137194
Moto 68020	20542	46746	131854
Sparc 2	22256	44648	142752

 

    Для обеспечения  честного сравнения фирма ARM использовала также значения размеров кодов, публично доступные для конкурирующих  решений и добавляла данные по ARM7TDMI Thumb-ориентированному ядру. Указанные в байтах размеры кода, являются данными в Dhrystone 1.1, поскольку эти данные свободно доступны.

Рисунок 15: Нормализованный размер кода Dhrystone для модели с памятью  большой емкости

Таблица 5: Нормализованный размер кода Dhrystone для модели с памятью большой емкости 
Источник: Microprocessor Forum 1993 и данные поставщиков

Процессор	Размер кода (Байты)	Соотношение
ARM7TDMI	1032	1,00
H8/500	1097	1,06
CPU32	1254	1,22
68000	1268	1,23
I386	1280	1,24
I960	1280	1,24
SH7032	1384	1,34
H8/300H	1530	1,48
MC68HC11	1558	1,51
29000	2296	2,22
Z80	3201	3,10