基于RISC体系结构的ARM性能优势分析

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1、基于RISC体系结构的ARM性能优势分析摘要:在计算机技术的发展过程中，从复杂指令集计算机（CISC）发展到精简指令集计算机（RISC）体系结构无疑是一个里程碑。RISC体系结构推动了嵌入式的发展与完善。木文以嵌入式32位RISC结构体系中最有代表性的ARM为例，从精简指令集的概念、指令集的简洁高效性、寻址空间、运算和数据处理能力和対操作系统的支持等方面，详细论述了32位RISC体系结构的性能优势。关键词:嵌入式系统;32位计算机;RISC;ARM1.引言嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用丁

2、•应用系统对功能、可靠性、成木、体枳、功耗冇严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围破件设备、嵌入式操作系统以及用户的应丿IJ程序等四个部分纽成，川于实现对具他设备的控制、监视或管理等功能。其应用领域十分广泛，从军事、工业到民用，从航空航天器到个人电子产品。而且,新的应用领域不断出现,每天都冇新的嵌入式产品问世。忖前,设计者已经越来越多地开始在嵌入式微控制领域内采用32位体系结构，并且这种趋势越来越明显。其推动力主要在于对系统性能要求的提高和嵌入式功能的发展，还来自于8位微控制器在其发展过程中自身血临的许多局限

3、和挑战，以及32位RTSC（梢简指令集计算机）结构体系相对应的优势。11前比较有影响的32位嵌入式处理器有ARM公司的ARMsCompaq公司的Alpha、IIP公司的PA2RISC、IBM公司的PowerPCsMIPS公司的MIPS和Sun公司的Sparc等。其屮ARM体系结构在32位嵌入式RISC领域冇着极大的影响力。2.RISCRISC是一种CPU（屮央处理器），它把微处理器能执行的指令数H减少到最低限度，以提高处理速度。RISC体系结构的思想是把指令减少到不能再减少的地步,突出并优化最常使用的指令，以达到尽可能快的执

4、行速度。RISC处理器比同等的CISC（复杂指令集计算机）处理器要快50%〜75%,HR1SC处理器容易设计和纠错。ARM（AdvancedRTSCMachines）公司是全球领先的16/32位嵌入式系统微处理器知识产权设计供应商,它通过转让高性能、低成本、低功耗的RISC微处理器、外围和系统芯片设计技术给合作伙伴，使他们能用这些技术来生产各具特色的芯片,ARM还为开发完整系统提供综合技术支持。ARM的微处理器核技术广泛用于便携式通信产品、手持运算、多媒体和嵌入式解决方案等领域，并已成为标准。3.RISC体系结构的优势RIS

5、C的概念对ARM处理器的设计有着重大影响,ARM是最成功也是第-•个商业化的RISC实例，因此公认RISC就是ARM的别名，而且ARM是当前使用最广泛、最成功的RISC的处理器。虽然采用CISC有着较强的处理高级语言的能力，对提高计算机的性能有益。但随着时间的推移，I」趋庞杂的指令系统越来越不易实现,还可能降低系统性能。而且由于复杂的指令系统所带來结构的复杂性，不但增加了设计的时间与成本,还容易造成设计失误。正是在这种情况下,诞生了RISCo打CISC相比较，RISC有三大优势：•基于RTSC体系结构设计的处理器管芯面积小。

6、处理器的简单使得需要的晶体管减少和实现的硅片面积减小，节省了更人面积町集成更多的功能部件，并且也使以RISCCPU为核心的SoC（片上系统）上实现一个应用系统的基木功能成为可能；•开发时间短，开发成木低。处理器组织、结构的简单会使设计人员减少、设计费用降低；•容易实现高性能。RISC体系结构的简单性、有效性很容易设计出低成本、高性能的处理器。CISC与RISC特性的比较见表1。CISCRISC复杂指令的执行需要更多的时钟周期简单指令只需1个时钟周期所有指令都可访问内存只有loads/stores指令可访问内存无流水线或流水线

7、程度较低流水线结构指令由微代码翻译执行指令直接由硬件执行指令格式可变指令格式固定指令多，模式多指令少，模式少微代码翻译模块复杂软件编译器复杂寄存器少寄存器多4.简洁高效的指令集CPU的指令集是硬件和软件之间的一个重要的分水岭，根据分层的思想,指令集向上要有力地支持编译器，向下要方便便件的设计实现。ARM是典型的RISC体系，根据RISC的设计思想，英指令集的设计应该尽可能地简单,A/CISC体系相比，它nJ以通过一系列简单的指令来实现复杂指令的功能。ARM的指令集包括6种典型的指令:分支指令、数据处理指令、状态寄存器转移指令

8、、L0AD2ST0RE数据移动指令、协处理器指令、异常处理指令。ARM指令集是一个非常优秀的指令集，它有如卜•特点：•ARM指令都是32位定长，在内存屮以4字节边界保存（地址最示两位为0）,这样方便译码电路和流水线的实现。ARM内核一般也支持另外一种16位的指令集Thumb指令集，Thum