Kiến trúc ARM

Từ kiến trúc ARMv4 cho đến ARMv7 là quá trình phát triển trải dài từ những năm 1994 chođến 2005 khi kiến trúc ARMv7 lần đầu tiên được giới thiệu. Loạt bài này chúng tôi xin giớithiệu khái quát các phiên bản khác nhau của ARM để người đọc hiểu được sự tiến hóa củadòng vi xử lý này.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Kiến trúc ARMTừ kiến trúc ARMv4 cho đến ARMv7 là quá trình phát triển trải dài từ những năm 1994 chođến 2005 khi kiến trúc ARMv7 lần đầu tiên được giới thiệu. Loạt bài này chúng tôi xin giớithiệu khái quát các phiên bản khác nhau của ARM để người đọc hiểu được sự tiến hóa củadòng vi xử lý này.1. Cuộc cách mạng trong kiến trúc của ARM Với phần lớn người lập trình nhúng, thường hay có thói quen sử dụng một dòng vi xử lýthông dụng ví dụ như 8051, AVR, PIC... Mỗi khi muốn nâng cấp hay nghiên cứu một sảnphẩm mới, ngoài việc phải coi lại kiến trúc phần cứng, điều quan trọng là làm thế nào đểchạy những chương trình ứng dụng đang hoạt động tốt ở vi xử lý cũ. Nắm bắt được hạn chếnày, các nhà sản xuất phần cứng đã cùng hợp tác và cho ra đời dòng vi xử lý ARM với nhữngchuẩn phần cứng đáp ứng khả năng tương thích với phần mềm. Phần lõi ARM được cấpphép sở hữu trí tuệ (Intellectual Property), và tuân theo chuẩn phần cứng ARM, các phầnngoại vi thì tùy thuộc vào nhà sản xuất sẽ có những quy định riêng về hệ thống thanh ghi vàtập lệnh bổ sung.Hình 1. Lịch sử phát triển từ kiến trúc ARMv4 đến ARMv7 Lõi ARM Cortex được chia ra thành ba dòng cấu hình chính, với các ký hiệu viết tắt lầnlượt là: A, R, M. Chữ A là viết tắt của Application, lõi ARM dòng này hỗ trợ cho các ứngdụng có độ phức tạp cao như: máy tính, điện thoại di động... R là viết tắt của Realtime, cácứng dụng cần tính toán xử lý thời gian thực được hỗ trợ bởi cấu hình này. M làMicrocontroller, dành cho các ứng dụng công nghiệp và điện tử tiêu dùng. Hình trên cho thấycác kiến trúc sau v5,v6,v7 đều kế thừa từ v4T.2. Sự phát triển từ ARMv4 đến ARMv7 Để dễ hình dung, chúng tôi sẽ trình bày quá trình phát triển từ kiến trúc v4 cho đến cáckiến trúc mới hơn được trình bày ở hình 1. Mỗi kiến trúc mới sẽ có đặc điểm cải tiến, nhưvậy sẽ ưu điểm hơn so với phiên bản trước đó.Đặc điểm của kiến trúc v4T và các phiên bảnNăm giới thiệu Năm 1994Bộ xử lý ARM7TDMI, ARM720T, ARM920TĐiểm mới của kiến trúc v4T là hỗ trợ tập lệnh Thumb (viết tắt là T trong các ký hiệu của bộxử lý). Hỗ trợ cùng lúc tập lệnh Thumb 16 bit và ARM 32 bit. Với tập lệnh Thumb 16 bit chophép trình biên dịch tạo ra chương trình nhỏ hơn (tiết kiệm khoảng 35% so với khi biên dịchở tập lệnh ARM 32 bit) mà vẫn tương thích với hệ thống 32 bit. Điển hình ở kiến trúc này làlõi ARM7TDMI được thiết kế nhằm đáp ứng các ứng dụng yêu cầu hiệu suất cao, tiêu thụnăng lượng thấp và nhỏ gọn. ARM7TDMI được cấu thành bởi các từ viết tắt: ARM7, T, D,M và I. T có nghĩa là hỗ trợ tập lệnh Thumb 16 bit. D có nghĩ là Debug, ARM7TDMI hỗ trợgiải mã lỗi bằng khối Embedded Trace Macrocell (ETM) đây là giải pháp giải mã lỗi hoànchỉnh dành cho lõi ARM. M có nghĩa là “Long Multiply Support” - hỗ trợ phép toán 64 bit,ngoài ra ARM7TDMI có khả năng cộng tác với các nhân khác nhằm tăng cường khả năng xửlý (coprocessor). I là viết tắt của Interface, hỗ trợ giao diện ngoại vi. ARM7TDMI có cấu trúcđường ống 3 tầng và là kiến trúc Von Neumann, bộ xử lý số học 32 bit. Hệ thống tập lệnh16/32 bit có khả năng mở rộng thông qua giao diện đồng xử lý với nhân ngoài. Ở phiên bản mở rộng ARM720T, bộ nhớ cache và hệ thống quản lý bộ nhớ (MemoryManagement Unit) được tích hợp. Tiếp đó phiên bản ARM9TDMI sử dụng cấu trúc đườngống 5 tầng và kiến trúc Harvard.Đặc điểm kiến trúc v5 và các phiên bản mở rộng v5T, v5TE, v5TEJNăm giới Năm 1999thiệu ARM1020E/1022E v5T, ARM946E-S/ARM966E-S/ARM968E-S v5TE, ARM7EJ-S/Bộ xử lý ARM92EJ-S/ARM1026EJ-S v5TEJĐặc điểm kỹ thuật chung của dòng ARMv5Bộ xử lý Nhân xử lý dạng RISC 32 bitI/O Ánh xạ bộ nhớ (Memory map I/O)Dung lượng không gian bộ 4GBytesnhớTập lệnh 16 hoặc 32 bit Có 7 chế độ: User, Supervisor, Abort, Undefined, System, IRQ,Chế độ hoạt động FIQCấu trúc tập lệnh Hỗ trợ tập lệnh ARM 32 bit và Thumb 16 bit mở rộngNgắt IRQ (Interrupt Request) và FIQ (Fast Interrupt)Ở phiên bản v5T, bộ lệnh Thumb được cải tiến. Hỗ trợ “count leading zero” và xử lý số. Ởphiên bản v5TE, hỗ trợ khối xử lý tín hiệu số DSP. Với khối DSP này, năng lực xử lý tínhtoán số được tăng lên 70%. Ở phiên bản v5TE-J, khối Jazelle được thêm vào nhằm hỗ trợtrình thông dịch mã Java và máy ảo Java (Java Virtual Machine). Thời gian thực thi mã Javađược tăng lên 8 lần và giảm được hơn 80% năng lượng tiêu thụ so với nhân không hỗ trợkhối Jazelle. Tính năng này cho phép lập trình viên thực thi mã Java một cách độc lập với hệđiều hành. Kiến trúc v5 được sử dụng rất nhiều ở dòng ARM10 và đặc biệt là phiên bảnv5TE-J. Mặc dù không có nhiều thay đổi về kiến trúc tuy nhiên phiên bản v5 được sử dụngrất nhiều bởi vi xử lý tích hợp hệ thống(System on Chip). Tính năng cao cùng với sự linh hoạttrong giấy phép sử dụng bản quyền chính là lý do các nhà sản xuất lựa chọn lõi ARM để pháttriển sản phẩm.Đặc điểm kiến trúc v6, v6T2, v6Z và v6KNăm giới Năm 2002thiệu ARM1136J(F)-S, ARM1156T2(F)-S(v6T2), ARM1176JZ(F)-S(v6Z),Bộ xử lý MPCore(v6K)Đã có nhiều bổ sung ở kiến trúc v6 theo hướng tạo ra những hệ thống nhúng cao cấp và phứctạp hơn nhưng vẫn giữ được ưu điểm về khả năng tiêu thụ điện năng thấp. Với mỗi phiênbản sẽ có những tính năng đặc biệt được thêm vào. Kế thừa các đặc điểm nổi trội của kiếntrúc v4 và v5, ở kiến trúc v6 các khối ‘TEJ’ được tích vào lõi ARM. Để đảm bảo khả năngtương thích ngược phần bộ nhớ và xử lý ngoại lệ được kế thừa từ kiến trúc v5. Về kiến trúc,có 5 điểm chính được cải tiến ở kiến trúc v6+ Quản lý bộ nhớ: bộ nhớ cache và khối quản lý bộ nhớ (MMU- Memory Management Unit)được cải tiến làm tăng hiệu suất thực thi của hệ thống lên 30% so với kiến trúc cũ.+ Đa nhân (Multiprocessor): đáp ứng các hệ thống mà ở đó yê ...