ARM體系中存儲系統
1. ARM體系中的存儲空間
ARM體系使用單一的平板地址空間.該地址空間的大小爲232個8位字節.這些字節單元的地址是一個無符號的32位數值,起取值範圍爲0到232-1.
32位情況：
ARM的地址空間也可以看作是230個32位的字單元.這些字單元的地址可以被4整除,也就是說該地址的低兩位爲0b00.地址爲A的字數據包括地址爲A,A+1,A+2,A+3 4個字節單元的內容.
16位情況：
在ARM版本4及以上的版本中,ARM的地址空間也可以看作是231個16位的半字單元.這些半字單元的地址可以被2整除,也就是說該地址的最低位爲0b0.地址爲A的半字數據包括地址爲A,A+1兩個字節單元的內容.
地址取模：
各存儲單元的地址作爲32位的無符號數,可以進行常規的整數運算.這些運算的結果進行232取模.也就是說,運算結果發生上溢出和下溢出是,地址將會發生繞圈.
2. ARM存儲器格式
在ARM體系中,每個字單元中包含4各字節單元或者兩個半字單元;1各半字單元中包含兩個字節單元.但是在字單元中,4各字節哪一個是高位字節,哪一個是低位字節則有兩種不同的格式:big-endian格式和little-endian格式.
在big-endian格式中,對於地址位A的字單元包括字節單元A,A+1,A+2,A+3,其中字節單元有高位到低位字節順序爲A,A+1,A+2,A+3;地址爲A的字單元包括半字單元A,A+2,其中半字單元有高位到低位字節順序位A,A+2;地址爲A的半字單元包括字節單元A,A+1,其中字節單元有高位到低位字節順序爲A,A+1.這種存儲格式如圖1.1所示.
在little-endian格式中,地址爲A的字單元包括字節單元A,A+1,A+2,A+3,其中字節單元有高位到低位字節順序爲A+3,A+2,A+1,A;地址爲A的字單元包括半字單元A,A+2,其中半字單元有高位到低位字節順序位A+2,A;地址爲A的半字單元包括字節單元A,A+1,其中字節單元有高位到低位字節順序爲A+1,A.這種存儲器格式如圖1.2所示.
31 24 23 16 15 8 7 0
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字單元A |
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半字單元A |
半字單元A+2 |
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字節單元A |
字節單元A+1 |
字節單元A+2 |
字節單元A+3 |
圖1.1 big-endian格式的存儲系統
31 24 23 16 15 8 7 0
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字單元A |
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半字單元A+2 |
半字單元A |
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字節單元A+1 |
字節單元A+2 |
字節單元A+1 |
字節單元A |
圖1.2 little-endian格式的存儲系統
3. 非對齊的存儲訪問操作
在ARM中,通常希望字單元的地址是字對齊的(地址的低兩位爲0b00),半字單元的地址是半字對齊的(地址的最低爲0b0).在存儲訪問操作中,如果存儲單元的地址沒有遵守上述的對齊規則,則稱爲非對齊(unaligned)的存儲訪問操作.
1.非對齊的指令預取操作
當處理器處於ARM狀態器件,如果寫入到寄存器PC中的值是非字對齊的(低兩位不爲0b00),要麼指令執行的結果不可預知,要麼地址值中最低兩位被忽略;
當處理器處於Thumb狀態器件,如果寫入到寄存器PC中的值是非半字對齊的(最低位不爲0b0),要麼指令執行的結果不可預知,要麼的重地值中最低位被忽略.
如果系統中指定,當發生非對齊的指令預取操作時,忽略地址值中相應的位,則有存儲系統實現這種”忽略”.也就是說,這時該地址值原封不動的送到存儲系統.
2.非對齊的數據訪問操作
對於Load/Store操作,如果是非對齊的數據訪問操作,系統定義了下面3種可能的結果.
<1>執行的結果不可預知.
<2>忽略字單元地址的低兩位,即訪問地址爲(address and 0xffffffc)的字單元;忽略半字單元地址的最低位的值,即訪問地址位(address and 0xffffffe)的半字單元.
<3>忽略字單元地址值種的低兩位的值;忽略半字單元地址的最低位的值.有存儲體統實現這種”忽略”.也就是說,這時該地址值原封不動的送到存儲系統.
當發生非對齊的數據訪問時,到底採用上述3種處理方法種的哪一種,是有各指令指定的.
4 指令預取和自修改代碼
在ARM中允許指令預取.在CPU執行當前指令的同時,可以從存儲器種預取出若干條指令,具體預取多少條指令,不同的ARM實現種有不同的數值.
預取的指令並不一定能夠得到執行.比如當前指令完成後,如果發生了異常中斷,程序將會跳轉到異常中斷處理程序處執行,當前預取的指令將被拋棄.或者如果執行了跳轉指令,則當前預取的指令也將被拋棄.
正如在不同的ARM實現預取的指令條數可能不同,當發生程序跳轉是,不同的ARM實現種採用的跳轉預測算法也可能不同.
自修改代碼指的是代碼在執行過程種可能修改自身.對於支持指令預取的ARM系統,自修改代碼可能帶來潛在的問題.當指令被預取後,在該指令被執行前,如果有數據訪問指令修改了位於主存種的該指令,這是被預取的指令和主存種對應的指令不同,從而可能使執行的結果發生錯誤.