RISC体系结构及其性能优势-Read.DOCVIP

- PAGE 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。本文以嵌入式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对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; ARM 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，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、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,每天都有新的嵌入式产品问世。目前,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面临的许多局限和挑战,以及32位RISC (精简指令集计算机)结构体系相对应的优势。目前比较有影响的32位嵌入式处理器有ARM公司的ARM、Compaq 公司的Alpha、HP 公司的PA2R ISC、IBM公司的PowerPC、MIPS公司的M IPS和Sun公司的Sparc等。其中ARM体系结构在32位嵌入式RISC领域有着极大的影响力。 2. RISC RISC是一种CPU (中央处理器) ,它把微处理器能执行的指令数目减少到最低限度,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% ,且RISC处理器容易设计和纠错。ARM (Advanced RISC Machines)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 RISC的概念对ARM处理器的设计有着重大影响,ARM是最成功也是第一个商业化的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,日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来结构的复杂性,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RISC。与CISC相比较, RISC有三大优势: 基于RISC体系结构设计的处理器管芯面积小。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,节省了更大面积可集成更多的功能部件,并且也使以RISC CPU为核心的SoC (片上系统)上实现一个应用系统的基本功能成为可能； 开发时间短,开发成本低。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R ISC特性的比较见表1。 CISC RISC 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,向下要方便硬件的设计实现。ARM是典型的RISC体系,根据RISC的设计思想,其指令集的设计应该尽可能地简单,与CISC 体系相比,它可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、LOAD2STORE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,它有如下特点: ARM指令都是32位定长,在内存中以4字节边界保存(地址最后