ARM架构基本理论

一、ARM的简介

ARM（Advanced RISC Machine）是一种基于RISC（Reduced Instruction Set Computing）架构的计算机处理器架构，由ARM Holdings（ARM公司）开发和授权给其他公司生产和销售。

ARM架构最初是为低功耗、高效能的嵌入式系统设计的，如智能手机、平板电脑、数字电视、路由器、音频设备、控制器等。随着技术的发展，ARM处理器也逐渐应用于更多的领域，如服务器、超级计算机等。

ARM处理器具有低功耗、高效能、可扩展性、可靠性等优点，因此得到了广泛的应用。目前，ARM处理器已经成为移动设备和嵌入式系统中最常用的处理器架构之一，也是全球最流行的处理器架构之一。

处理器的指令架构分为：

CISC（Complex Instruction Set Computer）：复杂指令集，CISC CPU 包含有丰富的单元电路，因而功能强、面积大、功耗大。具有大量的指令和寻址方式，各种指令的使用频率相差悬殊其中80%的程序只使用20%的指令，大多数程序只使用少量的指令就能够运行。因此人们对于指令系统进行了简化，将复杂的指令用简单的指令组合使用，于是就形成RISC指令集。
RISC（Reduced Instruction Set Computer）：精简指令集，选取使用频率最高的一些简单指令，复杂指令的功能由简单指令的组合来实现，只有Load/Store(取数/存数)指令访存，其余指令的操作都在寄存器之间进行。特别重视编译优化工作，以减少程序执行时间。从指令系统兼容性看，CISC大多能实现软件兼容，即高档机包含了低档机的全部指令，并可加以扩充。但RISC简化了指令系统，指令条数少，格式也不同于老机器，因此大多数RISC机不能与老机器兼容。
例如：有N条指令，每条指令运行的时间为T，而CISC指令的运行时间为T1=N*T,而RISC指令可以将一条指令分解成3条指令（取指令、译码、执行）。,每条指令的时间是T/3，则T2=(N+2)/3*T

二、ARM技术

1、ARM的基本数据类型

ARM采用32位架构，ARM的基本数据类型有以下3种。
Byte：字节，8bit。
Halfword：半字，16bit（半字必须与2字节边界对齐）。
Word：字，32bit（字必须与4字节边界对齐）。

在这里插入图片描述
字边界对齐是以0，4，8…为首地址，即首地址的低2位必须0 (0000、0100、1000、1100)。
半字边界对齐是以0，2，4…为首地址，即首地址的低1位必须0 (0000、0010、0100、0110）。

2、处理器的两种工作状态

ARM状态：32位，ARM状态执行字对齐的32位ARM指令。
Thumb状态，16位，执行半字对齐的16位指令。

用Bx Rm指令来进行两种状态的切换：
其中Bx是跳转指令，而Rm是寄存器（1个字，32位），如果Rn的位为1，则进入Thumb状态；如果Rn的位为0，这进入ARM状态。（原因：ARM指令的后两位始终为0，没有用，而Thumb指令的后一位始终为0，没有用，因此采用位0来表示ARM指令与Thumb指令的切换标志位。）
　　
ARM指令集和THUMB指令集的关系:
THUMB指令集是ARM指令集的子集，所有的Thumb指令都有相对应的ARM指令。Thumb的体系结构还不是很完整，所以不能要求处理器，只支持Thumb代码，却不支持ARM指令集。Thumb代码对通用功能支持较好，对于一些非通用功能，则可以借用ARM指令集。所以应用程序可以混合使用ARM指令和Thumb程序，以达到提升性能和代码密度的目的。同时可以降低功耗、节约成本。

3、ARM处理器的两种存储格式

ARM体系结构可以用两种方法存储数据字，称之为大端模式（Big-Endian)和小端模式 (Little-Endian)。
　（1）大端模式：在这种模式中，32位数据字的高字节存储在低地址中，而数据字的低字节则存放在高地址中。
　（2）小端模式:与大端模式存储数据完全不同，在小端模式下，32位数据字的高字节存放在高地址，而低字节存放在低地址。
　在这里插入图片描述
通常习惯使用小端模式。

4、ARM处理器的工作模式

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5、31个通用寄存器

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R13(SP)：指向堆栈，保护中断程序。
R14(LR)：链接寄存器，返回地址。
R15(PC)：程序计数器，指向下一条执行指令的地址。
CPSR：状态寄存器。

发生中断的程序跳转：
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6、状态寄存器

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（1）条件码标志
N、Z、C、V，最高4位称为条件码标志。ARM的大多数指令可以条件执行的，即通过检测这些条件码标志来决定程序指令如何执行。

N：在结果是有符号的二进制补码情况下，如果结果为负数，则N=1；如果结果为非负数，则N=0。
Z：如果结果为0，则Z=1;如果结果为非零，则Z=0。
C：对于加法指令（包含比较指令CMN），如果产生进位，则C=1;否则C=0。对于减法指令（包括比较指令CMP），如果产生借位，则C=0;否则C=1。对于有移位操作的非法指令，C为移位操作中最后移出位的值。对于其他指令，C通常不变。
V：对于加减法指令，在操作数和结果是有符号的整数时，如果发生溢出，则V=1;如果无溢出发生，则V=0;对于其他指令，V通常不发生变化。
（2）控制位
I：为1时，IRQ中断禁止，清零时中断允许。
F：为1时，FIQ中断禁止，清零时中断允许。