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Architettura degli ARM by Giuseppe Ranieri. Un po di storia dell ARM … Nato da un progetto dell Acorn iniziato nel 1983 dopo il grande successo del BBC.

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1 Architettura degli ARM by Giuseppe Ranieri

2 Un po di storia dell ARM … Nato da un progetto dell Acorn iniziato nel 1983 dopo il grande successo del BBC Micro rilasciato nel 1982 Siccome lAcorn era una azienda non comparabile alle aziende americane cercò di sviluppare un processore che soddisfacesse i requisiti interni dellazienda e che avesse un basso costo di produzione da questo progetto nacque lARM1 usato solo per scopi interni Nel 1987 venne lanciato commercialmente la prima piattaforma ARM Archimedes in versione ARM2 8mhz

3 … Un po di storia dell ARM La VLSI Technology Inc compagnia partner della Acorn nello sviluppo dellARM convince una fetta di mercato ad utilizzare questo tipo di processori a basso costo 1989 esce lARM3 versione potenziata dell ARM2 integrando 4kbit di cache e un frequenza di clock di 25mhz Nel 1990 nasce la ARM Ltd composta da Acorn VLSI e Apple …..

4 Perchè lARM è cosi diffuso? E uno dei processori con più licenze di sviluppo esistente E usato in cellulari palmari per le sue performance e bassi consumi Ha estensioni interessanti come Jazelle

5 Dati sullARM ARM: 32-bit RISC-processor core (istruzioni a 32-bit ) 37 registri di interi a 32-bit (16 ) Pipeline (ARM7: 3 stadi) Cache (a seconda dellimplementazione) Von Neuman-type bus structure (ARM7), Harvard (ARM9) Tipi di dato 8 / 16 / 32 -bit 7 modi di operare (usr, fiq, irq, svc, abt, sys, und) Struttura semplice -> buon rapporto fra velocità / consumo

6 CISC e RISC: breve confronto C.I.S.C. : Complex Instruction Set Computing in voga quando cera bassa disponibilità di memoria facilità nel debugging dellassembler istruzioni di alta complessità basso numero di registri R.I.S.C. : Reduced Instruction Set Computing più semplice scalabilità della frequenza istruzioni implementate in modo efficiente alto numero di registri maggiore efficienza

7 Instructions set supportati Sono due più varie estensioni: ARM Thumb Altre estensioni (es: Jazelle)

8 Thumb Instruction set È un sottoinsieme delle istruzioni ARM ricodificato È composto da istruzioni di 16 bit(invece di 32) Non contiene alcune istruzioni per gestire le eccezioni

9 Tipi di Dato byte halfword.(allineati a 2byte.) word (allineati a 4byte.)

10 Registri LARM ha un set di 37 registri 31 per usi generali 6 registri di stato In ogni istante sono visibili sempre 15 registri di tipo generale e uno o 2 registri di stato

11 Registri I primi 7 registri (R0-R7) sono unbanked (puntano sempre alle stesse locazioni fisiche) I successivi registri da R8 a R14 sono banked (a seconda della modalità puntano a locazioni fisiche diverse)

12 Registri

13 Registri generici I primi 4 registri R0 – R3 sono normalmente usati per il passaggio di parametri Normalmente registri da R4 a R8, R10 e R11 sono utilizzati per le variabili locali R12 è un registro speciale usato dai linker può essere anche usato per tenere valori temporanei

14 Load e Store Esistono 2 set di istruzioni load e store: uno che serve per caricare parole da 32 bit o byte senza segno un altro che serve per caricare mezzeparole da 16 bit con e senza segno o byte

15 Load e Store: tipi di indirizzamento In entrambi i tipi di istruzioni il modo di indirizzamento è formato da due parti: il Base Register loffset Loffset può essere di tipo Immediato Registro Registro Scalato

16 Load e Store: Offset Loffset precedentemente calcolato può essere utilizzato in tre modi differenti: Offset Pre-Index Post-Index

17 Load e Store: Formato Istruzione

18 Load e Store: Esempi

19 Registri di stato CPSR (SPSR) current program status register n: 1 se il risultato delloperazione è positivo 0 se negativo z: 1 se il risultato è 0, 0 altrimenti c: In un addizione 1 se cè un unsigned overflow 0 altrimenti In una sottrazione 0 se cè unsigned underflow 1 altrimenti nello operazioni che fanno shift è settato come lultimo bit shiftato v: 1 se cè un signed overflow /signed underflow o altrimenti q: utilizzato per loverflow delle istruzioni DSP

20 Registri di stato: Control Bit I, F, T, M[4:0] sono i bit di controllo I e F servono per abilitare disabilitare gli interrupt T serve per passare dal set di istruzioni ARM a set di istruzioni Thumb M[4:0] determinano la modalità di stato del processore

21 Modalità del Processore

22 Questa è la tabella dei set di registri attivi nei vari modalità del processore

23 Modalità del Processore Sono le seguenti: User (usr) modalità standard di esecuzione del processo FIC (fic} modalità privilegiata per gestione di flussi dato ad alta velocitá IRQ (irq) modalitá privilegiata per la gestione degli interrupt Supervisor (svc) modalità privilegiata per l'esecuzione del Sistema Operativo Abort (abt) implementa la memoria virtuale e la protezione della memoria System (sys} modalità privilegiata per l'esecuzione dei task del S.O. und serve per il supporto all emulazione software dei coprocessori

24 Cos è Jazelle Una tecnologia per lesecuzione del bytecode direttamente via hardware

25 Jazelle continua Ha i seguenti caratteristiche: è una semplice modifica al codice della JVM e non ne incrementa le dimensioni ha una resa di basso consumo delloltre 87% in meno di una pura emulazione anche rispetto alla JIT aumenta le prestazioni del codice java di oltre 95% è implementata via hardware in soli 12mila transistor è supportata dall ultima versione del core ARM v11 supporta in hardware 140 istruzioni java le restanti 94 le emula con routine ARM

26 Jazelle Architecture

27 La modalità Jazelle è stato aggiunto un bit al CSPR register il bit J: J 24 è 1 quando ci si trova in modalità di esecuzione java

28 La modalità Jazelle Per poter entrare in modalità Jazelle è stata introdotta una nuova istruzione: BXJ. Indica il P.C. java da cui partire o continuare che verrà settato nel registro R15 del processore in modalità Jazelle

29 Uso dei registri in Modalità Jazelle R0-R3 gestione dello stack delle espressioni java R4 puntatore a this R5 puntatore agli Software Handler R6 Java Stack Pointer R7 Puntatore alle variabili Java R8 Puntatore a Java Constant Pool R9-R11 riservati alla JVM R12,R14 uso libero/ Java return adress R13 Machine stack pointer R15 Java P.C.

30 Eccezioni Esistono vari tipi di eccezioni supportate dall ARM (in ordine di priorità): 1. Reset 2. Data Abort 3. FIQ 4. IRQ 5. Prefetch Abort 6. Undefined instruction SWI

31 Set di Istruzioni Questo è lo schema riassuntivo dei formati delle istruzioni ARM

32 Conditional Field Come avete visto prima quasi tutte le istruzioni sono condizionali ovvero iniziano con un campo cond che definisce se quella istruzione verrà eseguita o no a seconda dei vari bit di stato del registro CPRS

33 Conditional Field Formato di una istruzione condizionale Questo è il set di tutti gli opcode di condizione

34 Branching Il Branching ovvero il controllo del flusso del programma viene fatto con l ausilio di alcune speciali istruzioni e del campo Cond: B,BL Branch, Branch and Link BLX Branch with Link and Exchange BX Branch and Exchange Instruction Set

35 Branching: Esempi

36 Branching: chiamata e ritorno

37 Branching: if then else

38 Branching: Loop

39 Bibliografia Jumping with Jazelle (http://www.fawcette.com/javapro/2002_06/magazine/columns/javatogo/default.aspx)http://www.fawcette.com/javapro/2002_06/magazine/columns/javatogo/default.aspx ARM Architecture Reference Manual (http://www.arm.com)http://www.arm.com ARM architecture Jazelle Technology (http://www.arm.com)http://www.arm.com The ARM11 Microarchitecture (http://www.arm.com)http://www.arm.com ARM Architecture Instruction Set Extensions (http://www.convergencepromotions.com/ARM/catalog_04/395.htm)http://www.convergencepromotions.com/ARM/catalog_04/395.htm Procedure Call Standard for the ARM® Architecture (http://www.arm.com)http://www.arm.com


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