ARM體系結(jié)構(gòu)研究

隨著電子消費(fèi)品市場(chǎng)上，屏幕、觸屏越來越大，像素、幀數(shù)、分辨率越來越高，各種無線通信擴(kuò)展雨后春筍般此起彼伏，處理器的處理能力越來越受到這些多媒體應(yīng)用的考驗(yàn)。在這樣的背景下，ARM芯片推出了自己的解決方案——NEON。

NEON技術(shù)是ARM公司2004年發(fā)布的媒體和信號(hào)處理技術(shù)，可以加速多種類型的多媒體應(yīng)用，適用于手機(jī)和消費(fèi)娛樂電子，可靈活地實(shí)現(xiàn)多種視頻編/解碼、三維圖像、語音處理、音頻解碼、圖像處理和基帶功能。該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在了Cortex-A系列的ARM處理器中，同時(shí)獲得了ARM和第三方工具提供商的廣泛支持，適用于高端多媒體設(shè)備。

NEON技術(shù)使用64/128位單指令多數(shù)據(jù)流（SIMD）指令集，能同時(shí)執(zhí)行高達(dá)16個(gè)操作，用于新一代媒體和信號(hào)處理應(yīng)用加速，其編程接口簡(jiǎn)單，性能十分優(yōu)異，功耗非常小。在NEON技術(shù)下執(zhí)行MP3音頻解碼器，CPU頻率可低于10MHZ；運(yùn)行GSM AMR語音數(shù)字編解碼器，CPU頻率僅為13MHZ，和其它專業(yè)的DSP處理器相比較，NEON能獲得更低的功耗和更簡(jiǎn)單的編程接口。NEON支持8位、16位、32位、64位整數(shù)及單精度浮點(diǎn)SIMD操作，以進(jìn)行音頻/視頻、圖像和游戲處理，滿足現(xiàn)代電子消費(fèi)品的需求。

NEON實(shí)際上是ARM的SIMD（Single Instruction Multiple Data）技術(shù)的延續(xù)，其實(shí)就是ARM處理器中的向量處理功能。而且它同其它處理單元共享CPU的資源，如：整數(shù)操作、循環(huán)控制、Caching等，顯著減小了處理器的面積和功耗，同時(shí)又簡(jiǎn)化了編程環(huán)境，不用控制一些特定硬件加速器的并發(fā)訪問和數(shù)據(jù)規(guī)整性維護(hù)。這是NEON體系結(jié)構(gòu)同硬件加速器相比最顯著的優(yōu)點(diǎn)。

NEON的指令集對(duì)于編譯器來說是十分友好的。它包括了高效的Promotion/Demotion操作和結(jié)構(gòu)（Structure）的加載與寫入而不用強(qiáng)行的向量對(duì)齊（Vector Alignment）。

在NEON擴(kuò)展里，數(shù)據(jù)被組織在非常長的寄存器中，而這些寄存器可以以8、16、32、64位來提供和貯存數(shù)據(jù)，而具體用多少位來處理他們是通過在指令中顯示指定的。這與x86體系結(jié)構(gòu)中的AX，AL，AH的關(guān)系類似。

圖2.4 NEON中的向量寄存器邏輯示意圖

上圖中的三個(gè)寄存器向量其實(shí)都是同一個(gè)128為的寄存器，程序開發(fā)人員可以將它當(dāng)做4個(gè)32位的寄存器向量來使用，也可以當(dāng)做8個(gè)16位向量或者16個(gè)8位向量來使用。下面具一個(gè)具體的例子加以說明。指令VADD.I16 D0，D1，D2

圖2.5 NEON中16位向量相加示意圖

上圖中為將D1向量加上D2向量之后將值存入D0向量的邏輯示意圖，在指令中VADD.I16表示該操作的每一個(gè)操作元為16位。

在編程中我們經(jīng)常會(huì)遇到數(shù)據(jù)位數(shù)的轉(zhuǎn)換，有時(shí)你需要將一個(gè)long型的數(shù)據(jù)降級(jí)為int，有時(shí)你有需要將int型提升為long型。而在NEON體系中提供了對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的指令集支持。下面舉個(gè)例子說明。指令：VSHR.I16.I32 D0，Q1，#5

圖2.6 NEON中demotion示意圖

這個(gè)例子將一個(gè)4個(gè)32位元素的128位寄存器每個(gè)元素右移5位之后截取16位存至64位的D0中。指令中的I16.I32指定了這種數(shù)據(jù)降級(jí)（demotion）。

同時(shí)NEON還支持一種緩存友好的structure load/store功能，該功能能夠一次加載一個(gè)結(jié)構(gòu)數(shù)組，從而可以更好的利用緩存，同時(shí)也可以使代碼的結(jié)構(gòu)邏輯清晰。還是舉個(gè)例子來說明。指令VLD3.16 {D0，D1，D2},{R0}

圖2.6 NEON中對(duì)于結(jié)構(gòu)體的指令集支持

圖中將內(nèi)存中的一個(gè)結(jié)構(gòu)數(shù)組分別裝入三個(gè)寄存器向量中，向量與向量見的同一個(gè)索引位構(gòu)成了一個(gè)完成的結(jié)構(gòu)（圖中表示的是屏幕的三像素）。

2.2ARM體系結(jié)構(gòu)與Atom的比較

Atom處理器，是Intel從2008年才推出的一款面向上網(wǎng)本、入門級(jí)PC（Entry Level PC）、Tablet PC、智能手機(jī)以及其他一些手持設(shè)備的處理器，由此可見，Intel的Atom架構(gòu)瞄準(zhǔn)的市場(chǎng)是已經(jīng)被ARM稱霸已久的移動(dòng)計(jì)算領(lǐng)域，兩方的戰(zhàn)爭(zhēng)可見一斑。而至今為止經(jīng)歷了四次重大的革新。

1)2008年3月——初次亮相，主要面向移動(dòng)internet設(shè)備（Mobile Internet Devices），提供低功耗的電源方案。

2)2009年9月——Intel宣布了基于45nm技術(shù)的Intel Atom Processor CE4100，向一組為Interactive TV而設(shè)計(jì)的消費(fèi)性電子產(chǎn)品多媒體處理器提供了了最新的System on Chip【1】芯片。、

3)2010年1月——Intel發(fā)布了它最新的額Intel Atom Processor，專門為上網(wǎng)本而設(shè)計(jì)，芯片上集成了一個(gè)內(nèi)存控制器，一個(gè)圖形處理器，在減小了系統(tǒng)，降低了功耗的基礎(chǔ)上同時(shí)提高了性能。