ARM 프로세서

한 줄 정의

ARM은 RISC 원리에 기초한 저전력·고효율 프로세서 계열이다.

배터리로 오래 움직이는 임베디드 기기에 맞춘 CPU 설계 방식이다.

핵심 키워드는 RISC, 로드-스토어, 동작 모드, 예외, 파이프라인 등이다.

로드-스토어 구조

로드-스토어 아키텍처는 연산을 레지스터 사이에서만 수행하는 구조다.

메모리에서 레지스터로 옮길 때는 LOAD, 반대는 STORE 명령을 쓴다.

메모리 접근이 두 명령으로 제한되므로 제어 구조가 단순해지고 파이프라인 효율이 높아진다.

ALU 연산 결과는 레지스터에 저장되고, 메모리는 LOAD와 STORE로만 접근한다.

파이프라인과 처리량

명령을 여러 단계로 나눠 겹쳐 처리하는 기법이 파이프라인이다.

명령을 가져오는 동안 앞선 명령을 해독하고 실행할 수 있다.

3단 파이프라인은 인출, 해독, 실행 세 단계가 겹쳐 돌아간다.

파이프라인이 가득 차면 사이클당 1개 명령이 완료된다.

분기가 많으면 파이프라인이 비워져 효율이 떨어진다.

계산 예제

예제는 가상의 3단 파이프라인으로 계산한다.

채워진 뒤에는 사이클당 1개가 완료되므로 총 사이클은 k + (N − 1)이다.

명령 100개, 단계 3사이클이면 총 102사이클이다.

클럭이 1GHz라면 102 ns가 걸린다.

순차 처리의 300사이클보다 약 2.9배 빠르다.

N이 50이면 3 + 49 = 52사이클이다.

동작 모드와 예외

동작 모드는 프로세서가 어떤 권한으로 무엇을 처리하는지 나타낸다.

ARMv7 기준으로 사용자, FIQ, IRQ, 감독자, 중단, 정의되지 않은, 시스템 모드 7개가 있다.

사용자 모드만 비특권이고, 나머지는 예외가 발생할 때 진입하는 특권 모드다.

예외는 인터럽트, SVC 명령, 메모리 접근 오류 등으로 정상 흐름이 바뀌는 사건이다.

헷갈리는 점

가장 흔한 실수는 동작 모드를 Thumb 명령과 혼동하는 것이다.

동작 모드는 권한과 처리 상태이고, 명령어 집합 상태와는 별개다.

파이프라인은 3단, ARM9 5단, ARM10 6단을 섞지 않도록 구분한다.

특권 여부를 빠뜨리면 감점되므로 USER만 비특권이라고 명시한다.

정리

정리하면 ARM은 RISC 기반 저전력 32비트 아키텍처다.

동작 모드는 7개이며, USER만 비특권 모드다.

파이프라인 단수와 명령어 집합은 따로 구분해 기억한다.