ARM 임베디드 시스템 입문: ARM과 Thumb 명령어 집합 비교

1장 Introduction — ARM과 임베디드 시스템 개요

임베디드 시스템(Embedded System) 은 특정한 목적과 어플리케이션을 위해서 하드웨어나 소프트웨어를 최적화시킨 시스템이다. ARM은 임베디드 시스템에서 가장 유명한 프로세서로, 낮은 전력 소비, 작은 다이 사이즈, 높은 성능을 특징으로 한다.

Data Sizes and Instruction Sets

ARM은 여러 세대를 거치며 다양한 데이터 크기와 명령어 집합을 지원한다.

• ARMv4 이전: 32-bit instruction 위주
• ARMv4 이후: Thumb instruction set 도입
• 기존 32-bit ARM instruction + 16-bit Thumb instruction 동시 지원
• Short physical registers, virtual address, physical address 등 설계 요소 정의

ARM과 Thumb Instruction

• ARM instruction: 32-bit, full instruction set. Short physical registers, virtual address, physical address 등 사용
• Thumb instruction: 16-bit, ARM의 축약판. 코드 크기 절감을 위해 도입되어 메모리가 작은 임베디드 환경에서 유리

Instruction Sets

ARM Instruction Set

• 32-bit fixed-length instruction
• 각각의 Instruction은 같은 시간에 수행 가능 (RISC 특성)
• 파이프라인이 효율적으로 동작

Thumb Instruction Set

Thumb instruction set은 ARM의 32-bit instruction을 16-bit로 압축한 것.

• Variable-length instruction: 16-bit이기 때문에 ARM과 혼용 가능
• 코드 크기가 작아지지만, 일부 instruction은 복잡한 연산 수행 시 여러 cycle 필요
• ARM은 Thumb 2로 넘어가면서 16/32-bit Thumb instruction을 지원하며 개선됨

기본 특성

• Thumb instruction이 추가된 이유: 임베디드 환경에서 메모리 용량이 작기 때문에 코드 공간 절감 필요
• 속도는 ARM instruction보다 조금 낮지만, 메모리 access가 적어져 전체 성능은 향상될 수 있음

Summary

• ARM은 임베디드 시스템에서 가장 유명한 프로세서 (특정한 목적과 어플리케이션을 위해 하드웨어나 소프트웨어를 최적화시킨 시스템)
• ARM은 RISC의 표현이 되어가고 있음 (작은 사이즈, 고성능) vs. 인텔 CISC (메모리를 작게 Access, Cache 이후 증가, 파이프라인 ↓, 명령어도 복잡)
• RISC (Reduced Instruction Set Computer): 단순하고 빠른 명령어
• CISC (Complex Instruction Set Computer): 복잡한 명령어, 더 많은 클록 cycle
• Pipelining이 필수적 (RISC의 기본적인 테크닉)
• Instruction을 중첩해서 동시에 수행 가능, 해저드의 위험이 있음
• 저전력은 필수적 (파워 vs. 성능) → 공정 개발로 leakage power 감소 중요