2.2.2 ARM体系结构版本的变种

ARM处理器是典型的SoC，其处理器核的版本用体系结构版本号标记，但在实际制造过程中，ARM处理器核的具体功能要求往往会与某一个标准ARM体系结构版本不完全一致，会在一个体系结构版本上添加或减少一些功能。ARM公司制定了标准，使用一些字母后缀来标明基于某标准ARM体系结构版本之上的不同之处，这些字母称为ARM体系结构版本变量或者变量后缀。带有变量后缀的ARM体系结构版本称为ARM体系结构版本变种。目前主要有以下变种：

（1）T变种（Thumb指令集）

Thumb指令是ARM指令的一个子集，它从标准32位ARM指令集中抽出36条指令格式，重新编成16位的操作码，以节省存储空间。运行时，16位的Thumb指令又由处理器解压成32位的ARM指令，在ARM环境下执行。因此，Thumb技术具有比16位处理器更高的处理性能（运行在ARM环境：地址空间、寄存器、移位器、算术逻辑单元、存储器接口宽度等都是32位），同时具有比32位处理器更高的代码密度，同样的程序运行在Thumb状态下时其代码尺寸仅为ARM状态下的60%~70%。

ARM指令是32位的，其运行环境也是32位的。一般来说，指令越长，功能越强大，那为什么还要再出16位Thumb指令（T变种）呢？

在ARMv4前，基于CISC的8位、16位处理器在性能上不能满足移动电话、磁盘驱动器、调制解调器等的需求，而基于CISC的32核虽性能可满足要求，但在体积、功耗及成本等方面又不能满足要求；基于RISC的32位核处理能力虽能满足要求，但代码密度低，需较大存储空间，也不具成本优势。因此需要一种处理性能强、代码密度高的处理器，于是便产生了Thumb指令，即T变种。

与ARM指令集相比，T指令集具有以下局限：

① 完成相同的操作，Thumb通常需要更多的指令，不适宜对运行时间要求高的系统使用；

② 无异常处理指令，异常中断时需回到ARM指令集。

Thumb指令不是一个完整的指令集，通常需要将Thumb指令与ARM指令混合使用。

（2）M变种（长乘法指令）

M变种增加了如下两条长乘指令：

① 32位整数乘32整数产生64位整数；

② 32位整数乘32整数加32位整数产生64位整数。

M变种首先在ARMv3开始引入，现已成为所有版本的标准部分。

（3）E变种（增强型DSP指令）

E变种增加了一些附加的指令，这些指令用于增强处理器对一些典型的DSP算法的处理性能。ARM在提供通用的RISC处理器架构的同时，为其增添了一些针对特定应用的高性能指令集，以期能够达到软件和硬件的一个优化平衡。这样，一些高度涉及信号处理的应用本来是要借助一块专用DSP来完成的，现在由一个ARM内核就可以实现同样的功能。有着DSP增强指令的内核是最适合于应用在既需要高性能DSP核，同时又要求能够进行有效的任务控制的场合，如大容量存储器，语音编码器，语音识别与合成，网络应用，车控系统，智能手机，发报机和调制解调器等。

E变种增加的指令主要包括：

① 单周期16×16和32×16的乘法指令；

② 增加了饱和运算功能的运算指令，这些指令为开发稳定的操作系统和比特级精确的算法提供了方便；

③ 前导零指令为算法的标准化和浮点数运算，特别是对于除法运算，带来了高性能；

④ 进行双字数据操作的指令，包括双字读取指令、双字写入指令和协处理器传输指令；

⑤ Cache预取指令PLD。

E变种始用于ARMv5T。

（4）J变种（Java加速器Jazelle）

ARM的Jazelle技术提供的Java加速器运行Java代码比JavaVM快8倍，功耗降80%。

Jazelle技术可在单处理器上同时运行Java应用程序，取代原需要双处理器或协处理器的场合。

（5）SIMD变种（ARM媒体功能扩展）

SIMD指令针对音视频处理设计，为下一代的Internet应用产品、移动电话和PDA等需要流式媒体处理的终端设备提供解决方案。SIMD指令使处理器的音视频性能提高2~4倍，可同时进行2个16位操作数或者4个8位操作数的运算，用户可自定义饱和运算的模式，可进行2个16位操作数的乘加/乘减运算及32位乘以32位的小数运算。

ARM体系结构版本的变种总结如表2.2所示。