1_isacmp/arm.tex

   1 \section{ARM}
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   3 ARM wurde anfangs von der Firma ACORN entwickelt und steht für Advanced Risc Machine. Es existieren
   4 mehrere verschiedene Versionen des Instruktionssatzes, diese Ausarbeitung gibt aber lediglich einen Überblick
   5 über die prizipiellen Konzepte der Architektur.
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   7 \subsection{Einsatzgebiet}
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   9 Im allgemeinen wird bei ARM eine Instruktionslänge von 32 Bits verwendet. Die gekürzte Thumb-Version verwendet lediglich 16 Bit.
  10 Es existieren 31 general-purpose Register, 16 davon können direkt über die Registeradressen in den Instruktionen adressiert werden.
  11 Die anderen Register werden verwendet um die Fehlerbehandlung zu beschleunigen. Aus diesem Grund beschreibt die ARM Architektur
  12 eine Registermaschine mit einer RISC Architektur.
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  14 Die Register R13, R14 und R15 finden besondere Verwendung. R13 ist der Stack-Pointer, R14 das Link Register und R15 der Program-Counter.
  15 Diese Register können allerdings auch über normale Instruktionen beschrieben werden. Das Link-Register beinhaltet die Rücksprungadresse
  16 im Falle eines Subroutinen-Calls.
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  18 ARM bietet eine breite Varianz an Kernen für den Einsatz in verschiedenen Gebieten.
  19 Beispielsweise ist die ARM710 Familie designed um in Hand-Helds und anderen Multimediabereichen Anwendung zu finden.
  20 Die leistungsfähigere ARM10 Familie bietet eine Vector-Floating-Point Einheit. Der Cortex A8, welcher den ARMv7 Instruktionssatz
  21 verwendet, betreibt das IPhone 3GS, der Nintendo DS wird auch von einem ARM angetrieben. Diverse Linux-Distributionen laufen auf leistungsfähigeren ARM-Prozessoren.
  22 Einem Bericht aus 2007 zufolge verwenden ca 98 Prozent der verkauften Mobiltelefone einen ARM Prozessor (Wikipedia).
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  24 %\subsection{Where are processors that implement the ISA deployed? In embedded systems (microcontrollers,
  25 %communication, multimedia), in servers, in desktop computers?}
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  27 %ARM offers a big variety of cores for usage in different areas.
  28 %The ARM710 family is designed for usage in hand-helds and multimedia. The more stronger ARM10 family is providing a Vector Floating Point unit.
  29 %The Cortex A8, which uses the ARMv7 ISA, powers the IPhone 3GS. Many Linux distributions work on stronger ARM processors.
  30 %Nintendo DS uses an ARM core.
  31 %As of 2007, about 98 percent of the more than one billion mobile phones sold each year use at least one ARM processor (Wikipedia).
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  34 %\subsection{Does the ISA describe an accumulator, a register, or a stack machine and does it describe a CISC or RISC architecture?}
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  36 %Except from the Thumb-Version, the instructions have a fixed length of 32 bit and can address one destination and two
  37 %operand registers at once. ARM offers 31 general-purpose registers, where at any time 16 of them can be addressed by the
  38 %register specifiers in the instructions. The other registers are used to speed up the exception processing.
  39 %So this describes a register machine with a RISC architecture.
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  41 %Registers R13, R14 and R15 are used as the Stack Pointer (R13), the Link Register (R14) and the Program Counter (R15),
  42 %but they can be addressed via the normal instruction set. The Link Register contains the return address in case of a
  43 %sub routine call.
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  45 \subsection{Conditional Instructions and Jumps}
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  47 Im Vergleich zu älteren RISC Architekturen kommt ARM ohne die Verwendung von Branch-Delay-Slots aus, somit sind Latenzen
  48 nicht am Software-Level sichtbar. Des weiteren gibt es Predicated Instructions, welche erlauben, dass die Instruktion nur
  49 im Falle eines gesetzten Prädikats ausgeführt wird. ARM verwendet für nahezu jede Instruktion 4 Bits an Prädikaten. Somit
  50 können theoretisch 16 verschiedene Ausführungsmöglichkeiten abgeleitet werden, es werden 15 genützt.
  51 Nach dem Testen einer Bedingung (CMP) wird dieses Ergebnis im Statusregister vermerkt (zb CMP R1, R2).
  52 Nun kann beispielsweise ADDEQ R0, R2, R3 und ADDNE R7, R2, R3 folgen, was folgenden Code abbildet:
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  54 \begin{lstlisting}[caption=Beispiel]{}
  55
  56 if R1 = R2 then
  57         R0 = R2 + R3
  58 else
  59         R7 = R2 + R3
  60 end if
  61
  62 \end{lstlisting}
  63
  64 Somit können kleine if-Blöcke auf sequenzielle Statements ohne Sprung abgebildet werden.
  65 Sollte für eine Instruktion die Kondition nicht erfüllt sein wird diese einfach durch ein NOP ersetzt.
  66
  67 Ein mögliches Prädikat ist auch Always, somit wird keine Bedingung im Statusregister geprüft.
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  69 %\subsection{Are latencies handled by the hardware or are they visible at the ISA level? For example,
  70 %branch delay slots expose the latencies of branches at the ISA level.}
  71
  72 %Instead of older RISC Systems ARM doesn't have a branch delay slot, so latencies are not visible at the software level.
  73 %Conditional instructions allow to implement small if-blocks in a fast and code-decimating way.
  74
  75 %\subsection{Are conditional branches (compute condition and jump) performed in a single step, or
  76 %are testing and branching unbundled?}
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  78 %Every ARM Instruction as a 4-bit condition field at the beginning. The predicated instruction is only executed, when the condition
  79 %fits to the bits set in the state register. In example the bit vector $(0000)_2$ means equal, $(0001)_2$ means non equal and $(11110)_2$ means always.
  80 %In case the condition doesn't fit, the instruction is replaced by one NOP.
  81 %To update the state register a compare instruction is needed. So you first have to test the condition and afterwards
  82 %you can place as many conditional statements as needed.
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  84 \subsection{Ziele}
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  86 Da diese Architektur immer häufiger in mobilen Multimediageräten eingesetzt wird liegen die Ziele in
  87 den folgenden Bereichen: Performance, Die Area, Energy Efficiency und Code Size. Die Liste könnte noch weiter
  88 fortgesetzt werden, dies sind aber die wichtigsten Punkte.
  89 Energieeffizient ist wichtig für lange Batterielebenszeiten bzw. das nicht vorhanden sein von diversen Kühleinrichtungen.
  90 Die Codesize wird durch das Verwenden von Predicated Statements und der Destination + 2 Operanden Register Adressierung pro Befehl
  91 realisiert. Dieser Punkt wirkt sich auch positiv auf die Performance des Prozessors aus. Allerdings müssen durch die
  92 Load/Store Architektur Variablen immer zuerst in Register geladen werden.
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  94 %\subsection{What are the goals of the architecture? Performance, die area, energy efficiency, code
  95 %size, . . .  and how are these goals reflected in the ISA?}
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  97 %Because of the extensive use in mobile and multi media devices, the goals are all of the mentioned parts.
  98 %Energy efficiency plays a huge role as far as you don't have the posibility to add a cooling device to your smartphone.
  99 %Code size is reflected in the ISA by using predicated instructions. The code gets much smaller when you don't need to
 100 %add a branch for every small if-else-block. The opportunity of accessing 2 operand registers in a computation instruction
 101 %and the load multiple instruction are increasing the performance of the system.
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 103 \subsection{Gut gelöst bzw. Verbesserungswürdig}
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 105 Das Verwenden von Predicated Statements ist meiner Meinung nach sehr intelligent verwirklicht, da man
 106 das Ausführen eines Befehls von einer breiten Varianz an Bedingungen abhängig machen kann. Außerdem
 107 ist es durch Verwendung von konditionierten Instruktionen möglich eine konstante Ausführungszeit eines Algorithmus zu erzielen.
 108
 109 Ein negativer Aspekt ist das Fehlen von Shift- bzw. Rotate Instruktionen. Diese werden direkt in den einzelnen Befehlen
 110 implementiert, man kann solches Verhalten auf einen Operanden einer Anweisung anwenden. Dies hat aber natürlich auch seine Vorteile.
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 112 %\subsection{Which features of the ISA do you like, which features would you change?}
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 114 %The usage of the predicated statements is very genious, because this firstly smalls the code size and secondly is a very important
 115 %feature for WCET. It allows you to implement algorithms having a constant execution time, what is very necessary in safety-critical and fault
 116 %tolerant real time systems.
 117 %Barrel shifter (shift as part of an instruction) is great, but a single shift operation is missing.
 118
 119 \subsection{Implementierung des Beispielcodes}
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 121 \begin{lstlisting}[caption=ARM Code]{ARM-Code}
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 123         ; r0 = len
 124         ; r1 = ptr to arr
 125         ; wenn len=0 return 0
 126         cmp r0, #0
 127         moveq r0, 0
 128         bxeq lr;
 129         add r0, r1, r0, LSL#2
 130         mov r2, r1
 131 loop:
 132         ldr r3, [r1], #4
 133         add r2,r2,r3
 134         cmp r1, r0
 135         bne loop;
 136         mov r0,r2
 137         bx lr
 138
 139 \end{lstlisting}
 140
 141 Jeder Schleifendurchlauf führt ein Load, ein Add, ein Compare und ein Branch-Equal aus.
 142
 143 Implementiert auf einem ARM7TDMI, dieser verwendet eine 3-Stufige Pipeline, erhalten wir folgende
 144 Aussagen über die Clockcycles:
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 146 ldr 3, add 1, cmp 1, bne 3, was bedeutet, dass ein Schleifendurchlauf 8 Zyklen benötigt (Informationen aus dem Manual des Prozessors entnommen).