ARM体系结构研究

随着电子消费品市场上，屏幕、触屏越来越大，像素、帧数、分辨率越来越高，各种无线通信扩展雨后春笋般此起彼伏，处理器的处理能力越来越受到这些多媒体应用的考验。在这样的背景下，ARM芯片推出了自己的解决方案——NEON。

NEON技术是ARM公司2004年发布的媒体和信号处理技术，可以加速多种类型的多媒体应用，适用于手机和消费娱乐电子，可灵活地实现多种视频编/解码、三维图像、语音处理、音频解码、图像处理和基带功能。该技术已经应用在了Cortex-A系列的ARM处理器中，同时获得了ARM和第三方工具提供商的广泛支持，适用于高端多媒体设备。

NEON技术使用64/128位单指令多数据流（SIMD）指令集，能同时执行高达16个操作，用于新一代媒体和信号处理应用加速，其编程接口简单，性能十分优异，功耗非常小。在NEON技术下执行MP3音频解码器，CPU频率可低于10MHZ；运行GSM AMR语音数字编解码器，CPU频率仅为13MHZ，和其它专业的DSP处理器相比较，NEON能获得更低的功耗和更简单的编程接口。NEON支持8位、16位、32位、64位整数及单精度浮点SIMD操作，以进行音频/视频、图像和游戏处理，满足现代电子消费品的需求。

NEON实际上是ARM的SIMD（Single Instruction Multiple Data）技术的延续，其实就是ARM处理器中的向量处理功能。而且它同其它处理单元共享CPU的资源，如：整数操作、循环控制、Caching等，显著减小了处理器的面积和功耗，同时又简化了编程环境，不用控制一些特定硬件加速器的并发访问和数据规整性维护。这是NEON体系结构同硬件加速器相比最显著的优点。

NEON的指令集对于编译器来说是十分友好的。它包括了高效的Promotion/Demotion操作和结构（Structure）的加载与写入而不用强行的向量对齐（Vector Alignment）。

在NEON扩展里，数据被组织在非常长的寄存器中，而这些寄存器可以以8、16、32、64位来提供和贮存数据，而具体用多少位来处理他们是通过在指令中显示指定的。这与x86体系结构中的AX，AL，AH的关系类似。

图2.4 NEON中的向量寄存器逻辑示意图

上图中的三个寄存器向量其实都是同一个128为的寄存器，程序开发人员可以将它当做4个32位的寄存器向量来使用，也可以当做8个16位向量或者16个8位向量来使用。下面具一个具体的例子加以说明。指令VADD.I16 D0，D1，D2

图2.5 NEON中16位向量相加示意图

上图中为将D1向量加上D2向量之后将值存入D0向量的逻辑示意图，在指令中VADD.I16表示该操作的每一个操作元为16位。

在编程中我们经常会遇到数据位数的转换，有时你需要将一个long型的数据降级为int，有时你有需要将int型提升为long型。而在NEON体系中提供了对数据转换的指令集支持。下面举个例子说明。指令：VSHR.I16.I32 D0，Q1，#5

图2.6 NEON中demotion示意图

这个例子将一个4个32位元素的128位寄存器每个元素右移5位之后截取16位存至64位的D0中。指令中的I16.I32指定了这种数据降级（demotion）。

同时NEON还支持一种缓存友好的structure load/store功能，该功能能够一次加载一个结构数组，从而可以更好的利用缓存，同时也可以使代码的结构逻辑清晰。还是举个例子来说明。指令VLD3.16 {D0，D1，D2},{R0}

图2.6 NEON中对于结构体的指令集支持

图中将内存中的一个结构数组分别装入三个寄存器向量中，向量与向量见的同一个索引位构成了一个完成的结构（图中表示的是屏幕的三像素）。

2.2ARM体系结构与Atom的比较

Atom处理器，是Intel从2008年才推出的一款面向上网本、入门级PC（Entry Level PC）、Tablet PC、智能手机以及其他一些手持设备的处理器，由此可见，Intel的Atom架构瞄准的市场是已经被ARM称霸已久的移动计算领域，两方的战争可见一斑。而至今为止经历了四次重大的革新。

1)2008年3月——初次亮相，主要面向移动internet设备（Mobile Internet Devices），提供低功耗的电源方案。

2)2009年9月——Intel宣布了基于45nm技术的Intel Atom Processor CE4100，向一组为Interactive TV而设计的消费性电子产品多媒体处理器提供了了最新的System on Chip芯片。、

3)2010年1月——Intel发布了它最新的额Intel Atom Processor，专门为上网本而设计，芯片上集成了一个内存控制器，一个图形处理器，在减小了系统，降低了功耗的基础上同时提高了性能。

4)2010年5月——Intel发布了最新的Intel Atom Processors系列，开创性在维持现有系统的高性能的同时地降低了功耗，使得制造轻薄的手持设备、Tablet PC、智能手机等成为可能。