指令集架构 （Instruction Set Architecture）

I：计算机硬件直接能识别的命令，由一串二进制数码组成。一条指令通常由两个部分组成：操作码和地址码。
IS：处理器可以执行操作的最小单元的集合。例如加减乘除就是由具体的指令来实现的。

精简指令集处理器 RISC (Reduce Instruction Set Computer)

一条指令完成一个基本“动作”，多条指令组合完成一个复杂的基本功能
选取了使用频率高的简单指令，指令长度固定，多为单周期指令
功耗、体积、价格方面有优势，多用于嵌入式领域

复杂指令集处理器 CISC (Complex Instruction Set Computer)

侧重于硬件执行指令的功能性
一条指令完成一个复杂的基本功能
指令长度与周期不固定，在处理能力上有优势

CPU按指令集架构分类

ARM

进阶精简指令集机器（Advanced RISC Machine)

• 对内存只有读、写指令
• 数据运算在CPU内实现
• 使用RISC指令CPU复杂度小，易于设计，系统软件多些

Cortex-A7为例↓

运行模式

非特权模式

• User 用户模式，大部分程序运行的时候处于此模式

特权模式

• Sys(System) 系统模式，运行特权级的操作系统任务
• FIQ 快速中断模式，进入FIQ中断异常
• IRQ 一般中断模式
• ABT(Abort) 数据访问终止模式，用于虚拟存储及存储保护
• SVC(Supervisor) 超级管理员模式，供操作系统使用
• UND(Undef) 未定义指令终止模式
• MON(Monitor) 用于安全扩展
• Hyp 用于虚拟化扩展

切换

运行模式可通过软件、中断或异常进行切换。大多数程序运行在用户模式，不能访问系统所以资源，需进行模式切换，用户模式不能直接进行模式切换，需要借助异常来完成模式切换，需要切换模式时，用户程序产生异常，在异常处理过程中完成处理器模式切换。

• 板子上电，CPU处于SVC模式，使用SVC模式下的寄存器
• 程序发生中断，CPU进入IRQ模式，使用IRQ模式下寄存器
• CPU完成中断处理，切换会SVC模式，使用SVC模式下寄存器
• CPU发生某种异常，例如读取内存出错，进入ABT模式，使用ABT模式下寄存器处理错误

在某种模式下，CPU使用的是这种模式的资源（例如寄存器），免去保存上一模式所使用的寄存器

寄存器组

芯片内核寄存器组，Cortex-A9有9种运行模式，每种模式都有一组与之对应的寄存器组。

• 未备份寄存器，R0~R7，共享同一组物理寄存器
• 备份寄存器，R8~R14，在不同模式有自己独有的寄存器，蓝色
• 程序计数器，R15
• 程序状态寄存器
  

未备份寄存器，R0~R7，共享同一组物理寄存器，灰色

不同模式下，寄存器内数据会被破坏，没有特殊用途

备份寄存器，R8~R14，在不同模式有自己独有的寄存器

R8~R12 快速中断模式和其他模式分别用两种，快速中断模式和其他是独立的；
R13（SP）栈指针，8个物理寄存器，其中一个是User和Sys共用的；
R14（LR）链接寄存器，7个物理寄存器，其中一个是User和Sys和Hyp共用的；

程序计数器，R15

保存当前执行指令地址加8字节。
ARM处理器三级流水线：取指->译码->执行，循环执行。
当前正在执行第一条指令同事对第二条指令进行以嘛，第三条指令也被取出放在PC种。对于32位RAM处理器，每条指令4字节，即+8字节。

程序状态寄存器

当前程序状态寄存器CPSR和备份程序状态寄存器SPAR。
包含条件标志位、中断禁止位、当前运行模式标志等一些状态位和控制位。

Cortex系列处理器内核

• Cortex-A系列面向高性能计算需求、运行丰富操作系统和程序任务的应用领域。A7x系列为代表的性能大核产品线和A5x系列为代表低功耗小核产品线
• Cortex-R系列面向实时应用的高性能处理器系列，运行在比较高的时钟频率，其响应延迟非常低。主要应用于硬盘控制器，汽车传动系统和无线通讯的基带控制等领域。
• Cortex-M系列内核被设计成面积更小，能效比更高。通常这些处理器的流水线很短，设计简单，最高时钟频率很低，功耗表现优异。

其他

冯·诺伊曼

指令和数据需要从同一存储空间存取，经由同一总线传输，无法重叠执行。

哈弗

指令和数据存在两个相互独立的存储器模块，使用两条独立的总线连接CPU和存储模块。

现代的复杂芯片上，大多数看到是两者融合或者并存的体系。

CPU MPU MCU DSP AP BP SOC

现代CPU成为处理器的核心组件之一，而不是唯一组件。一些数字逻辑运算芯片在CPU外围集成了其他功能多样的组件，这些超大规模集成电路的CPU模块被称为处理器内核（Core）。

• CPU 通用高性能处理器，用在个人电脑和服务器上，Intel amd
• MPU 嵌入式微处理器，芯片集成度高，外设功能很丰富，主要用在移动设备和多媒体相关应用，高通 MTK
• MCU 微控制器，信号控制和简单运算，成本低，功耗低，用在对性能要求不高的地方，IOT、工业控制、智能家居等，ST GD
• DSP 数字信号处理器，性能较弱，功耗低，擅长数字运算，应用在需要大量实时计算的场合，比如音频编解码

传统手机中有AP和BP两个处理器组成

• AP 负责运行操作系统和多媒体应用的处理器，通常是MPU类型的处理器。MPU GPU
• BP 负责射频通信的处理器，通常是MCU或DSP类型的处理器。

MMU 内存管理单元，主要负责物理地址和虚拟地址的交换。没有MMU不能运行想linux一样的操作系统。MCU没有MMU，MPU有MMU。

• SOC 片上操作系统，芯片上有一个系统。把一个系统的核心功能集成到一个芯片上。
  例：蓝牙SOC：nRF52832，集成了MCU和BLE。
  手机SOC：高通骁龙888，集成了AP(MPU+GPU)和BP。

注：历史发展叫的名字，

链接

CPU指令集架构科普
cpu架构----通俗理解
聊聊MCU的困惑
ARM
https://www.100ask.net/