2.1.2 ARM技术特征

ARM架构属RISC（Reduced Instruction Set Computer）体系架构，即精简指令集计算机体系架构。ARM架构是世界上首个商用RISC架构，在此之前，计算机的体系架构为复杂指令集计算机体系架构，即CISC（Complex Instruction Set Computer）架构。故要理解RISC，还得先从CISC说起。

CISC是20世纪70年代晚期在小型计算机基础上发展起来的一种单片计算机体系架构。其主要特点有三个：

（1）指令功能复杂，开发成本高。如Intel 80386耗资达1.5亿美元，开发时间长达3年多；IBM FS高速机耗资数亿美元开发仍未获成功。

（2）指令多、长度不等，大量微码。如IBM370有208种指令、长度16位至48位，微程序420 K；DEC VAX-11/780有303种指令、长度16位至456位、微程序480 K。

（3）不利于VLSI实现。

实际上，人们通过统计发现，计算机系统中20%的简单指令（取数、运算、转移等）占据了CPU动态执行时间的80%~90%，而80%的复杂指令却只占据CPU动态执行时间的20%。也就是说，在计算机系统中简单指令运行的机会多，复杂指令运行的机会少。既然如此，人们就没有必要花那么大的代价来设计复杂指令了，一条复杂指令的功能可通过多条简单指令来实现。这样既可简化设计的复杂度，又可降低硬件实现的成本，这就是RISC产生的原因。

1980年，Patterson、Ditzel的论文《精简指令集计算机》提出了RISC的设计思想：精简指令集的复杂度，简化指令实现的硬件设计，硬件只执行使用频度最高的那部分简单指令，大部分复杂的操作则由简单指令的组合完成。不久，伯克利分校据此设计出了RISC原型机RISCI与RISCII，ARM则是第一个采用RISC结构的商用微处理器。

RISC与CISC的主要区别如下：

（1）RISC指令格式和长度固定，类型少，功能简单，寻址简单方式少；CISC指令长度不等，类型多，功能复杂。

（2）RISC使用硬连线指令译码逻辑，易于流水线实现；CISC采用微码ROM译码。

（3）RISC大多数指令单周期完成；CISC指令多为多周期完成。

（4）RISC除Load/Store指令外，所有指令只对寄存器操作；大多数CISC指令皆可对主存及寄存器操作。

当然，RICS也有其不足之处，主要是RISC代码密度没有CISC高，CISC中的一条指令在RISC中有时要用一段子程序来实现；RISC不能执行x86代码；RISC给优化编译程序带来了困难。

ARM的RISC体系结构采用了若干Berkeley（伯克利）RISC处理器设计中的一些特征，如：

（1）Load/Store体系结构；

（2）固定的32位指令；

（3）3地址指令格式。

但ARM并没有完全照搬Berkeley RISC，做了一些改进，如：

（1）ARM用少量的影子寄存器取代Berkeley RISC的寄存器窗口；

（2）ARM的RISC未采用延迟转移；

（3）ARM不强求所有的指令单周期执行，允许有多周期指令。