ARM处理器概论与组织

news2024/9/28 0:18:59

1.ARM产品系列

2.体系结构

3.ARM指令集

定义：

ARM的指令集：

4.编译原理

5.ARM存储模型

6.ARM的8种工作方式

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，我们在这里主要介绍ARM作为处理器。

1.ARM产品系列

早先经典处理器：包括ARM7、ARM9、ARM11家族

Cortex-A系列：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

2.体系结构

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：

SoC的定义多种多样，由于其内涵丰富、应用范围广，很难给出准确定义。一般说来， SoC称为系统级芯片，也有称片上系统，意指它是一个产品，是一个有专用目标的集成电路，其中包含完整系统并有嵌入软件的全部内容。同时它又是一种技术，用以实现从确定系统功能开始，到软/硬件划分，并完成设计的整个过程。

3.ARM指令集

定义：

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，简单来说就是把运算命名便于理解

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的指令集：

大多数ARM处理器都支持两种指令集：ARM指令集与Thumb指令集

ARM指令集：

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。

4.编译原理

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

5.ARM存储模型

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 -> 1个字节
Halfword 16bits ->2个字节
Word 32bits ->4个字节

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，如下图所示。如果把Word类型数据存放的首地址为0x03是错误的。

字节序：

大端对齐：低地址存放高位，高地址存放低位设a = 0x12345678，则大端对齐示意图如下

小端对齐：低地址存放低位，高地址存放高位 a = 0x12345678，小端对齐示意图如下

ARM一般使用小端对齐

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，因为4的整数倍转换为2进制后，其后两位的数都为0，所以ARM状态的处理器会默认起始地址的后两位为0，例如你指令的地址是0x07，转换为2进制数为0111，而ARM状态会默认其二进制的后两位为0，所以内存寻找的地址的二进制就是0100也就是0x04的地址。所以PC值由其[31:2]决定，[1:0]位未定义。

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，原理同ARM状态，所以PC值由其[31:1]决定，[0]位未定义