為什麼32位元ARM要用16元位記憶體呢？

chip123

[轉貼]學習到：
“ARM有兩種指令集:16位元THUMB指令集和32位元ARM指令集。使用16位的記憶體可以降低成本”是不僅僅因為性價比的原因呢？？
. L6 d; D$ e- G: `/ h( w
- l  P4 k+ Z5 v0 y4 p: N. X聽說記憶體是每一個bit就得一個點，有的記憶體是6個mos管構成一個點。所以價格降不下來。
" m6 l6 ~1 [  |可是為什麼市場上快閃記憶體越來越大，價格確越來越便宜呢？有點不太清楚， 看來得找本記憶體的書看看了。
哪位高手指點一下呢？？？

聽說如此可以提高指令效率和密度？還有沒有更好的答案呢？

tommywgt

我來領RDB好了

首先先更正你的題目:為什麼32位元ARM要用16元位記憶體呢？
" q0 r7 T: b7 y0 I2 l1 M題目應是:為什麼32位元ARM要用16位元指令呢？

如果題目是前者的話應該是在問bus跟cache的問題.
題目是後者的話才是問thumb指令集的問題
2 ]% u' H! u8 @; _
正如你所說的, thumb指令是為了提高code density(這個也是arm自己講的答案), 使用thumb指令可以省下一半的記憶體空間, 如此相同的記憶體可以存二倍的指令, 對cache的hit rate也有幫助
所以在不需要32 bit運算場合要多使用thumb指令. 有個統計你也許不相信, 不過內容我大概也忘了: 日本一家公司做的統計, 在RTC (real time clock)內少用一個bit的記憶體的話, 全年可以省下好幾GG bit.....可怕吧. 還有可以省下大量的power consumption...不過太省的結果就是會出現y2k的問題就是了....

5 K4 l  m8 [7 u0 l另外記憶體大變便宜是因為製程關係, 有些小容量的記憶體反而貴的原因是在於用的人少流通性不足, 而不是成本關係.

zanthia

除了記憶體的容量, 我覺得外部匯流排的寬度和 IO 接腳的數目也是原因; 雖然外部匯流排都有 32 位元, 但有時候受限於面積, 有時候受限於電路板的層數和成本, 還是有很大的比例不得不用 16 位元的記憶體, 這時候使用 Thumb 反而效率較佳... 只要 fetch 一次就可以執行...

tommywgt

如果boot rom是16 bit或者也有可能是8 bit, boot loader在開機會load到dram去
dram如果32 bit就沒你說的問題, 但是dram如果是16 bit的話系統有cache, 整體的performance在於cache 的hit rate占比較大多數

zanthia

有些 ARM7 仍然是沒有 cache 的, 只有一些 internal RAM; 原因就是我提過的成本問題... 如果沒有成本考量, 記憶體的容量其實也不用擔心...
% |, p5 Q. K+ O/ `  ~: T有一件事我不太確定: 如果使用 thumb state, Icache 是不是無形中變成兩倍?

tommywgt

應該不會才對...

hiwu

ARM的指令分成 1. ARM mode 2. thumb mode 3.thumb mode
1. ARM mode: 32 bit instruction。ARM CPU一起動定是在ARM mode。有些IRQ/Exception要在ARM mode下才可執行。
! Q- P% k* L& G4 ?2 p2. thumb mode: 16 bit instruction。速度比ARM mode慢，但code density較高。一定需要用額外的指令才可以切換到thumb mode。只有在DRAM很少的情況下，才會考慮有些function用thumb mode。OS不能用thumb implement。
, w# \2 v  |) }, P7 r1 a" z3. thumb2: 16bit instruction。少了需要切換的問題。但還沒有看到OS可以support thumb2。
) i0 m7 ^9 P. m' ]) p6 M
用16 bit 的記憶體，通常是為了cost down。32 bit的CPU，用16 bit的memory會讓CPU沒有效率。如果16 bit的的記憶體可以跑到很高的clock rate，就另當別論。是否用16 bit的memory，要看系統的設計需求。當然也可以用2顆16 bit momory組成一個32 bit memory。

sieg70

說實在的, 可能是因為所學過淺的關係, 我不清楚16 bit memory的問題在講什麼, ARM在看記憶體存取時,  在instruction部份, ARM mode時就是1 instruction=4 bytes, 在Thumb mode時, 1 instruction= 2 bytes, . 而碰到讀data時, 則看該data在compile後被編成2 bytes還是4 bytes, 以ARM的data bus寬度來看, 不管要讀的data是2 bytes,還是4 bytes都比較少問題, 就是直接讀一個word,  只是當初2 bytes的data在高位元的兩bytes都有作extention, 而當ARM data bus寬為16 bits, 去讀16 bits的data當然沒問題, 去讀32 bits的data就要額外多fetch一次才算讀完該筆data, 在Thumb mode下還是有可能處理 32 bit的data

. b4 \$ g! Q7 a0 U& u0 G# E, f另外, 記憶體6個mos組成一個cell, 是SRAM的結購, 至於flash是一個mos一個cell,所以密度比SRAM高, 相容面積能作出更高的容量, 所以同容量的SRAM跟flash, flash會比SRAM便宜很多, 另外, 現在memory便宜的另一個原因是因為技術進步, 像是用.18製程90nm製程去生產同規格的記憶體, 每一個bit的生產成本完全是不同等級的, 還有yield良率也隨技術進步而改善, 這也是造成memory變便宜的原因之一.

大概就是這個樣子吧!

& s7 }7 a* O5 V& z* r" u[ 本帖最後由 sieg70 於 2008-8-4 05:44 PM 編輯 ]

gogojesse

看完大家的討論，想到一個問題
1 ]3 X/ o, V2 G( T究竟thumb mode下的cache hit有沒有變高?
$ g% d2 n2 ]" M
理論上，改變或控制cache的行為，需要去設定co-processor
0 U6 H9 ~4 f) u# L! V! y" O0 u
) Y) ^, [, c. I7 r1. 如果cache切到thumb mode被視作double，所以hit rate變高
6 H- ]4 ~) |+ i
表示使用bx指令切換到thumb mode
隱含這時候CPU可能會自動flush I&D Cache
然後設定好co-processor的設定
" Y' g( z# s  k& b( y2 J* S' H才能做為16 bit I&Dcache使用

, S  m# f' z9 w+ w6 F8 p9 t2. 假如BX並不會自動改變cache的動作或裡面的資料，表示cache被使
, b/ B4 i) d0 V用的方式可能沒變，只是截掉部份超過的bit field

這樣一來hit rate可能就不會改變，只有在bus 使用16 width的時候
' J7 ?7 y+ Q3 m4 U7 t- \1 ]2 f用thumb mode執行效能比較ARM mode快

正在找spec和相關資料看
不知道有沒有哪位大大知道答案的??

gogojesse

自問自答一下

因為 cache 是以一條一條 cache line 的方式
  N6 m0 U3 b! M, p- z; s, ^對 memory 的東西做 cache 的動作
切換成thumb mode之後
+ Y; r- j6 o- Q, E2 w' m; a- z只是 processor 去讀取 cache 中資料的方式變了
- n; q, H- L+ G- J3 bcache 本身去 cache 資料的行為沒有變
+ y$ b8 f1 j& N2 `5 d! \因此，thumb mode 下的 cache 可以被視為變成兩倍大，而且 cache 的設定不需要改變
code size 變小  cache 又相對變大  hit rate會提高
performance會變好....
2 c9 m7 w/ H' b) Q5 t
以上希望沒有理解錯誤的地方~

opelwu

ARM指令集區分32-bit and 16-bit主要在於:
1. 提高code density,使得所需儲存空間變得比較少就可以用比較少的memory,節省pcb area size and total cost
2. 省電的考量

! f3 k. X; o  J* {8 W3 L-->聽說記憶體是每一個bit就得一個點，有的記憶體是6個mos管構成一個點。所以價格降不下來。
, d* R! G: X7 S* J6 mos指的是SRAM的架構,SRAM通常是作為CPU的Cache Memory之用,因為速度較快,但是相同容量的DRAM來比較SRAM佔用較大面積
0 d. T: q% P" P* N+ |3 ~另一個替代方式是採用PSRAM