arm处理器都有什么架构 arm处理器是什么体系

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jkfox 2023-08-18 13:11:22

文章标签 arm处理器都有什么架构 arm 指令集机器码工作模式 文章分类 架构后端开发

2.ARM处理器概论

2.1 ARM处理器概论

ARM公司概述
ARM的含义：ARM（Advanced RISC Machines）有三种含义，一个公司的名称、一类处理器的通称、一种技术

ARM公司
> 成立于1990年11月，前身为Acorn计算机公司
> 主要设计ARM系列RISC处理器内核
> 授权ARM内核给生产和销售半导体的合作伙伴，ARM公司并不生产芯片
> 提供基于ARM架构的开发设计技术软件工具、评估板、调试工具、应用软件、总线架构、外围设备单元等

ARM产品系列

早先经典处理器

包括ARM7、ARM9、ARM11家族

Cortex-A系列

针对开放式操作系统的高性能处理器

应用于智能手机、数字电视、智能本等高端运用

Cortex-R系列

针对实时系统、满足实时性的控制需求

应于汽车制动系统、动力系统等

Cortex-M系列

为单片机驱动的系统提供了低成本优化方案

应用于传统的微控制器市场、智能传感器、汽车周边等

arm处理器都有什么架构 arm处理器是什么体系_机器码

RISC处理器

RISC处理器
只保留常用的的简单指令，硬件结构简单，复杂操作一般通过简单指令的组合实现，一般指令长度固定，且多为单周期指令
RISC处理器在功耗、体积、价格等方面有很大优势，所以在嵌入式移动终端领域应用极为广泛
CISC处理器
不仅包含了常用指令，还包含了很多不常用的特殊指令，硬件结构复杂，指令条数较多，一般指令长度和周期都不固定
CISC处理器在性能上有很大优势，多用于PC及服务器等领域

SOC

arm处理器都有什么架构 arm处理器是什么体系_工作模式_02

SOC(System on Chip),即片上系统，将一个系统中所需要的全部部件集成在一个芯片中在体积、功耗、价格上有很大优势

2.2 ARM指令集概述

指令集

指令
能够指示处理器执行某种运算的命令称为指令（如加、减、乘 …）
指令在内存中以机器码（二进制）的方式存在
每一条指令都对应一条汇编
程序是指令的有序集合
指令集
处理器能识别的指令的集合称为指令集
不同架构的处理器指令集不同
指令集是处理器对开发者提供的接口

arm处理器都有什么架构 arm处理器是什么体系_工作模式_03

ARM指令集
大多数ARM处理器都支持两种指令集：
ARM指令集
-

arm处理器都有什么架构 arm处理器是什么体系_工作模式_04

所有指令（机器码）都占用32bit存储空间
代码灵活度高、简化了解码复杂度
执行ARM指令集时PC值每次自增4
Thumb指令集
所有指令（机器码）都占用16bit存储空间
代码密度高、节省存储空间
执行Thumb指令集时PC值每次自增2

编译原理

arm处理器都有什么架构 arm处理器是什么体系_arm_05

机器码（二进制）是处理器能直接识别的语言，不同的机器码代表不同的运算指令，处理器能够识别哪些机器码是由处理器的硬件设计所决定的，不同的处理器机器码不同，所以机器码不可移植

汇编语言是机器码的符号化，即汇编就是用一个符号来代替一条机器码，所以不同的处理器汇编也不一样，即汇编语言也不可移植

C语言在编译时我们可以使用不同的编译器将C源码编译成不同架构处理器的汇编，所以C语言可以移植

2.3 ARM储存模型

ARM数据类型

ARM采用32位架构，基本数据类型有以下三种
Byte 8bits
Halfword 16bits
Word 32bits
(在ARM术语中，8位为一个字节，16位为一个半字，32位为一个字)
数据存储
Word型数据在内存的起始地址必须是4的整数倍
Halfword型数据在内存的起始地址必须是2的整数倍

注：即数据本身是多少位在内存,存储时就应该多少位对齐

字节序

大端对齐
低地址存放高位，高地址存放低位
a = 0x12345678;

arm处理器都有什么架构 arm处理器是什么体系_工作模式_06

小端对齐
低地址存放低位，高地址存放高位
a = 0x12345678;

arm处理器都有什么架构 arm处理器是什么体系_指令集_07

注：ARM一般使用小端对齐

字节序验证代码：

#include <stdio.h>
int main(int argc,char *argv[])
{
//	printf("%d\n",sizeof(short));
	union{
		short s;
		char c[sizeof(short)];
	}un;
	un.s = 0x0102;
	if(sizeof(short) == 2){
		if(un.c[0] == 1 && un.c[1] == 2)
			printf("big-endian\n");
		else if(un.c[0] == 2 && un.c[1] == 1)
			printf("little-endian\n");
		else
			printf("unknown\n");
	}
	else{
		printf("sizeof(short) = %d\n",sizeof(short));
	}
	unsigned int i = 0x12345678;
	char *t = &i;
	printf("%x\n",*t);
	return 0;
}

ARM指令存储

处理器处于ARM状态时
所有指令在内存的起始地址必须是4的整数倍
PC值由其[31:2]决定，[1:0]位未定义
（假设0x0000(…0000)第一条指令起始，则下一条指令0x0004(…0100)、0x0008(…1000)、0x000c(…1100)、0x0010…,可以看到最后两位都是0，所以在储存指令地址时，不论最后两位是1还是0，ARM都会将其转为0）
处理器处于Thumb状态时
所有指令在内存的起始地址必须是2的整数倍
PC值由其[31:1]决定，[0]位未定义

注：即指令本身是多少位在内存存储时就应该多少位对齐

2.4 ARM工作模式

ARM工作模式

ARM有8个基本的工作模式
User 非特权模式，一般在执行上层的应用程序时ARM处于该模式
FIQ 当一个高优先级中断产生后ARM将进入这种模式 (快速中断模式)
IRQ 当一个低优先级中断产生后ARM将进入这种模式（普通中断模式）
SVC 当复位或执行软中断指令后ARM将进入这种模式（超级用户模式）
Abort 当产生存取异常时ARM将进入这种模式（终止模式）
Undef 当执行未定义的指令时ARM将进入这种模式（指令未定义模式）
System 使用和User模式相同寄存器集的特权模式（系统模式）
Monitor 为了安全而扩展出的用于执行安全监控代码的模式（监控模式）（cortex—a9）

工作模式的理解
不同模式拥有不同权限
不同模式执行不同代码
不同模式完成不同的功能

ARM工作模式分类