ARM 相关概念及知识随笔

ARM处理器是英国Acorn有限公司设计的低功耗成本的第一款RISC微处理器。全称为Advanced RISC Machine。ARM处理器本身是32位设计，但也配备16位Thumb指令集，一般来讲比等价32位代码节省达35%，却能保留32位系统的所有优势。

ARM处理器的三大特点是：耗电少功能强、16位/32位双指令集和合作伙伴众多。

1、体积小、低功耗、低成本、高性能；

2、支持Thumb（16位，2字节对齐）/ARM（32位，4字节对齐）双指令集，能很好的兼容8位/16位器件；

3、大量使用寄存器，指令执行速度更快；

4、大多数数据操作都在寄存器中完成；

5、寻址方式灵活简单，执行效率高；

6、指令长度固定。

CISC与RISC概念

1. CISC（Complex　Instruction　Set　Computer，复杂指令集计算机）

大约有20%的指令会被反复使用，占整个程序代码的80%。而余下的指令却不经常使用，在程序设计中只占20%。

2. RISC（Reduced　Instruction　Set　Computer，精简指令集计算机）

优先选取使用频最高的简单指令，避免复杂指令；将指令长度固定，指令格式和寻址方式种类减少；以控制逻辑为主，不用或少用微码控制等。

特点：

（1）采用固定长度的指令格式，指令归整、简单、基本寻址方式有2～3种。

（2）使用单周期指令，便于流水线操作执行。

（3）大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作，只有加载/存储指令可以访问存储器，以提高指令的执行效率。此外，ARM体系结构还采用了一些特别的技术，在保证高性能的前提下尽量缩小芯片的面积，并降低功耗：

（4）所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行，从而提高指令的执行效率。

（5）可用加载/存储指令批量传输数据，以提高数据的传输效率。

（6）可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理。

（7）在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率。

寄存器结构

ARM处理器共有37个寄存器，包括：

（1）30个通用寄存器，均为32位的寄存器。

（2）1个程序计数器（PC指针），也为32位的寄存器。

（3）1个当前程序状态寄存器（cpsr）

（4）5个程序状态保存寄存器（spsr）

状态寄存器是用以标识CPU的工作状态及程序的运行状态，均为32位，只使用了其中的一部分。

处理器模式

共有7种，包括：

6种特权模式：

（1）终止模式（abort）：当处理器访问存储器失败时，进入该模式；

（2）中断模式（interrupt request，IRQ）：对ARM普通级别的中断做出响应；

（3）快速中断模式（fast interrupt request，FIQ）：对ARM较高级别的中断做出响应，它有自己的r8~r12寄存器，不需要在处理时再对这些寄存器进行压栈，所以速度较快。

（4）管理模式（supervisor，SVC）：处理器复位后进入该模式，通常处于该模式的有操作系统内核；

（5）系统模式（system）：特殊的用户模式，允许对cpsr的完全读写访问；

（6）未定义模式（undefined，Undef）：当处理器遇到没有定义的指令或处理器不支持的指令时进入该模式；

1种非特权模式：

（1）用户模式（user）：一般用来运行应用程序；

所有的模式一般都可以访问的寄存器有：

（1）r0 ~ r12

（2）r13 （stack pointer，sp）、r14（link register，lr）

（3）r15 （program counter，pc）

（4）cpsr（current program status register）

除系统模式外的其他特权模式均可访问的寄存器：

（1）spsr（saved program status register）

延伸概念

哈佛结构：采用指令集与数据集分开的设计结构，常见的有ARM7、ARM11等；

冯诺依曼结构：采用指令集与数据集混在一起取用的设计结构

Thumb：

16位指令集，为32位ARM指令集的功能子集，一般仅能访问r0~r7及3个特殊寄存器，访问r8~r12寄存器需特殊指令处理；

r0~r7，又被称为Thumb state Low registers；

r8~r12，又被称为Thumb state High registers；

ARM 异常处理相应操作：

当发生异常情况时，会进行：

（1）程序备份，将CPSR复制到SPSR;

（2）重新设置CPSR的状态位：更改ARM状态位；更改位异常模式；结束中断接收；

（3）将当前的返回地址存储到LR寄存器中；

（4）将PC指针设置指向中断或异常的入口地址；

结束中断执行后，

（5）将程序的备份从SPSR拷贝回CPSR；

（6）还原CPSR的状态位；

（7）将中断发生前指针PC指向的地址从LR中还原；

RISC（精简指令集）与CISC（复杂指令集）的区别：

（1）RISC侧重软件的处理，CISC侧重硬件的处理；

（2）RISC指令仅有少量不同格式，CISC则有大量的不同格式；

（3）RISC使用了更多的寄存器，CISC则仅用了少量寄存器；

（4) RISC仅用了少量寻址方式，CISC则有大量的寻址方式；

（5）RISC编译器更复杂，CISC则在处理器上扩展运用了微编程；

（6）RISC指令运行仅用一个周期，而CISC则要用多个周期；

（7）RISC流水线更简单，CISC流水线则较为复杂。

一些汇编指令的简写汇总：

（1）EQ，Equal，标志位为Z=1；

（2）NE，Not equal，标志位为Z=0；

（3）CS/HS，Unsigned higher or same，标志位为C=1；

（4）CC/LO，Unsigned lower，标志位为C=0；

（5）MI，Minus，标志位N=1;

（6）PL，Positive or Zero，标志位为N=0；

（7）VS，Overflow，标志位为V=1；

（8）VC，No overflow，标志位为V=0；

（9）HI，Unsigned higher，标志位为C=1&Z=0;

（10）LS，Unsigned lower or same，标志位为C=0&Z=1;

（11）GE，Great or equal，标志位为N=V；

（12）LT，Less than，标志位为N！=V；

（12）GT，Great or equal，标志位为Z=0&N=V；

（13）LE，Less than，标志位为Z=1 or N！=V;

（14）AL，Always

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