ARM体系结构与编程（篇一）：ARM体系特点

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一、一些概念

1、IO与内存统一编址

1. ARM32位CPU支持少于4G内存，因为有一部分地址线分配给了外部设备。CPU通过地址总线访问内在。
2. SOC（“System-on-a-Chip” ，即“片上系统 ”）中的各种内部外设通过地址操作外设中的特殊功能寄存器。也就是为每个外设中的特殊功能寄存器分配一个特定地址，然后像操作内存一样去操作来实现编程控制这些外部设备。
3. SOC中的各种内部外设是通过各自的SFR编程访问，这些SFR的访问类似于访问普通内存，区别在于这个地址是内存还是寄存器，这叫IO与内存统一编址。

2、CPU可编程原理

1. CPU是有运算控制能力的芯片，没有预先制定功能，只设计了指令集，功能预留给编程人员改变的。
2. 固定频率的时钟控制下有节奏运行，（通过总线读、解、执行）
3. CPU可以通过总线读取外部存储器设备中的二进制指令集，然后解码执行。
4. 这些可以被CPU解码执行的二进制指令集是CPU设计的时候确定的，是CPU设计者定义的。

3、指令集和CPU关系

1. 汇编实质就是机器指令的助记符。
2. 指令集是一款CPU的特征。
3. 不同CPU指令集不同。
4. 用汇编写代码可以充分发挥CPU效率。

4、哈佛结构与冯诺依曼结构

1. 哈佛结构：程序的数据段与程序段分开存储。（安全）
   （1）哈佛结构特性保证了CPU运行稳定性和安全性。因此非常适合嵌入式、单片尤其是物联网领域。而服务器等高性能领域目前主导还是因特。
   （2）哈佛结构决定了裸机程序使用实地址即物理地址。因此链接比较麻烦，必须使用复杂的链接脚本告知链接器如何组织程序。对于OS上的应用是工作在虚似地址中，则不需要考虑这么多。

2. 冯诺依曼结构：程序的数据段和程序段存在一起。（处理简单）

5、CISC与RISC

1. CISC（“Complex Instruction Set Computer”，即“复杂指令集计算机”）用叠加内部电路的方式，让一条指令完成多个功能。功耗大。

2. RISC（“Reduced Instruction Set Computer”，即“精简指令集计算机”）只提供简单的基本指令，目标功能留给编程人员来完成。灵活、功耗小。其主要特点如下：
   （1）指令集——RISC减少了指令集的种类，通常一个周期一条指令，采用固定长度的指令格式，编译器或程序员通过几条指令完成一个复杂的操作。而CISC指令集的指令长度通常不固定。
   （2）流水线——RISC采用单周期指令，且指令长度固定，便于流水线操作执行。
   （3）寄存器——RISC的处理器拥有更多的通用寄存器，寄存器操作较多。例如ARM处理器具有37个寄存器。
   （4）Load/Store结构——使用加载/存储指令批量从内存中读写数据，提高数据的传输效率。
   （5）寻址方式简化，指令长度固定，指令格式和寻址方式种类减少。

6、流水线

以3级流水线为例，指令分3个阶段执行：

1. 取指（Fetch） 从存储器装载一条指令
2. 译码（Decode） 识别将要被执行的指令
3. 执行（Excute） 处理指令并将结果写会寄存器

  流水线是 RISC处理器执行指令时采用的机制，流水线处理时实际是这样的：ARM正在执行第1条指令的同时对第2条指令进行译码，并将第3条指令从存储器中取出。所以，只有在取第4条指令时，第1条指令才算完成执行。

7、统一编址和独立编址

1. 统一编址：该情况下访问外部设备就像访问内存一样，不需要专门指令（RISC）去操作外部设备。
2. 独立编址：访问外部设备要用专用指令来实现（CISC多一个设备增加一条指令）。

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二、ARM体系特点介绍

1、ARM处理器简介

  ARM（Advanced RISC Machines）是一个32位RISC（精简指令集）处理器架构，ARM处理器则是ARM架构下的微处理器。ARM处理器广泛的使用在许多嵌入式系统。ARM处理器的特点有指令长度固定，执行效率高，低成本等。

2、ARM处理器特点

1. ARM指令都是32位定长的；
2. 寄存器数量丰富（37个寄存器）；
3. 普通的Load/Store指令；
4. 多寄存器的Load/Store指令；
5. 指令的条件执行；
6. 单时钟周期中的单条指令完成数据移位操作和ALU（Arithmetic Logic Unit，算术逻辑单元）操作；
7. 通过变种和协处理器来扩展ARM处理器的功能；
8. 扩展了16位的Thumb指令来提高代码密度。

3、ARM芯片特点

ARM芯片具有RISC体系的一般特点，如：

• 具有大量的寄存器；
• 绝大多数操作都在寄存器中进行，通过Load/Store（基于字节、字和多字的读取和写入指令）的体系结构在内存和寄存器之间传递数据；
• 寻址方式简单；
• 采用固定长度的指令格式；

除此之外，ARM体系采用了一些特别的技术，在保证高性能的同时尽量减少芯片体积，减低芯片的功耗。这些技术包括：

• 在同一条数据处理指令中包含算术逻辑处理单元处理和移位处理；
• 使用地址自动增加（减少）来优化程序中循环处理；
• Load/Store指令可以批量传输数据，从而提高数据传输的效率；
• 所有指令都可以根据前面指令执行结果，决定是否执行，以提高指令执行的效率。

4、ARM体系结构特点

1. CPU采用RISC架构；
2. 常用汇编指令二三十条；
3. 功耗低；
4. ARM实际上有一些ARM是哈佛结构，而另一些ARM是冯诺依曼结构（或者更准确说是混合结构）。

三、问题与解答

1、ARM处理器扩展了16位的Thumb指令来提⾼代码密度，代码密度怎么理解？

Thumb指令具有16位的代码宽度。与等价的32位代码相比较，thumb指令集在保留32位代码优势的同时，大大的节省了系统的存储空间。

2、对于ARM v6之前处理器的命名规则，有很多不好的地方，具体有哪些？

早期的处理器命名规则分为很多类，这样就导致了不同板子之间移植性比较差，在这块板子上能用的放到另一块板上很多功能就无法兼容，所以v6以后ARM采用新的命名方式。