谈一谈ARM处理器的指令集与工作模式

电子

嵌入式
以应用为中心，以计算机威廉希尔官方网站为基础，软、硬件可裁减(内核对驱动模块的裁剪、定制)；
应用系统对功能，可靠性（取决于需求），成本，体积及功耗都有严格要求的计算机系统。
嵌入式特点
专用性强，专用的计算机；
运行环境差异性大；
比通用PC机资源少（适用性，够用就好）；
功耗低，体积小，集成度高，成本低；
具有较长的生命周期。
ARM含义
ARM(Advanced RISC Machine)处理器是英国Acorn有限公司设计的低功耗成本的微处理器。
ARM代表一个公司
ARM表示一个威廉希尔官方网站
ARM可以表示一些处理器的统称
（1）架构：支持的汇编指令集。
arm-v4，arm-v5,arm-v6
arm-v7(32Bits)
arm-v8(64Bits)
单个指令就是用电子电路蓝图完成特定指令(关键字)的功能。
（2）内核
cortex-a9,a53,a75,a77
ARM公司授权芯片的公司
（3）SOC（System On Chip:片上系统）
芯片产家在内核的基础上，增加了一些外设，发布一款芯片，这些芯片可以统称为SOC.
eg:
骁龙865
麒麟990
指令集：RISC / CISC
（1）精简指令集RISC
RISC(Reduced Instruction Set Computer)：结构简单，选取了使用频率高的简单指令。
eg：ARM芯片，STM32，单片机微处理器MCU
指令长度固定
多为单周期指令
在功耗、体积、价格等方面有很大优势，多用于嵌入式领域。
（2）复杂指令集CISC
CISC(Complex Instruction Set Computer)：侧重于硬件执行指令的功能性，CISC指令及处理器的硬件结构复杂。
eg：计算机CPU
CISC指令复杂，指令长度与周期不固定，在处理能力上有优势。
（3）RISC-V
RISC-V（发音为“risk-five”）是一个基于精简指令集（RISC）原则的开源指令集架构（ISA）。
（4） RISC和CISC对比：

ARM产品分布：cortex-A / R / M
1）Cortex-A
面向尖端的基于虚拟内存的操作系统和用户应用。
高通，联发科，海思，三星，飞思卡尔
2）Cortex-R
实时处理器为要求可靠性、容错功能和实时响应的嵌入式系统提供高性能解决方案
专用领域：
汽车电子
照相机摄像机
3）Cortex-M
针对成本和功耗敏感的MCU和终端应用，一般不跑linux操作系统。
但是可以运行实时操作系统：FreeRTOS，uCosII，LiteOS(华为)。
意法半导体(ST)STM32系列
ARM core 提供的两种指令集：ARM / Thumb
指令宽度和CPU位数的区别
（一）指令宽度：一条指令所占的内存字节数。
指令集中，单条指令的宽度，指令本身编译成二进制机器码所占内存空间的大小。
（二）CPU位数：一条指令所能实现一次处理数据的位数。
单条指令一次处理数据的位数，cpu的位是指一条指令一次性可处理的数据量是多少（bit位），
一般和CPU中寄存器的位数有关。
ARM / Thumb指令集
ARM-V8：向下兼容ARM-v7架构
ARM指令集：支持64位 / 32位。一条指令占32位内存空间
Thumb指令集：支持32位 / 16位。一条指令占16位内存空间
注：
（1）
不管ARM是支持64位还是32位，ARM指令集中每条指令都占32位空间。
不管Thumb是支持32位还是16位，Thumb指令集中每条指令都占16位空间。
（2）ARM和Thumb指令集的区别：
1）ARM指令集功能更全，性能更高
2）thumb指令集比ARM指令集指令密度要大

ARM处理器-工作模式

ARM 有7种基本工作模式：
User：非特权模式，大部分任务执行在这种模式
FIQ：当一个高优先级（fast) 中断产生时将会进入这种模式
IRQ：当一个低优先级（normal) 中断产生时将会进入这种模式
SVC（Supervisor）：当复位或软中断指令执行时将会进入这种模式
系统上电/reset(复位重启)时，默认进入SVC模式。
Abort：当存取异常时将会进入这种模式
Undef：当执行未定义指令时会进入这种模式
System：使用和User模式相同寄存器集的特权模式
Cortex-A特有模式：
Monitor：是为了安全而扩展出的用于执行安全监控代码的模式；也是一种特权模式
注：根据不同异常源进入不同的模式，执行不同的代码以完成相对应的特定功能。
Cortex-A寄存器组成

（1）CPU(内核)组成
运算器：加法运算器-》加法指令
控制器
寄存器
（2）寄存器功能
1）寄存器是集成于CPU内部的元件；
2）寄存器的功能是存储二进制（0 / 1）代码；
3）寄存器是CPU内部用来存放数据的一些小型存储区域，用来暂时存放参与运算的数据和运算结果。
（3）Cortex-A寄存器组成
每种模式都有一组对应的寄存器，对于内存可以通过地址操作地址里面的数据，但是对于寄存器不能通过地址操作，访问寄存器只能通过其唯一的编号：R0-R15，CPSR,SPSR。
有些工作模式，可以共用同一寄存器，也有些特殊工作模式拥有私有的寄存器。
注：User 和 System模式下共用：R0-R15、CPSR是通用寄存器。
R0-R7：未分组寄存器，所有模式共用的通用寄存器：R0-R7
R8-R12：分组寄存器。除了FIQ私有R8_fiq-R12_fiq外，其余各种模式共用通用寄存器：R8-R12
R13-R14：异常模式下都有私有的寄存器。User 和 System 共用通用寄存器：R13-R14。
R13(the stack point register)：堆栈指针寄存器 SP，用于存放指向栈顶的地址
R14(the link register)：连接寄存器 Lr，用于存放子函数(子程序) / 异常中断的返回地址

R15(the program counter)：程序计数寄存器 PC，它是个地址寄存器，地址总是指向下一条待取指的指令。
1）当处理器执行在ARM状态：
所有指令 32 bits 宽，所有指令必须 word(4字节) 对齐。
所以 pc值由bits [31:2]决定, bits [1:0] 未定义 (所以指令不能halfword / byte对齐).
2）当处理器执行在Thumb状态:
所有指令 16 bits 宽，所有指令必须 halfword(半字：2字节) 对齐
所以 pc值由bits [31:1]决定, bits [0] 未定义 (所以指令不能 byte对齐).

CPSR(current program status register)：当前程序状态寄存器

SPSR(Saved program status register)：保存程序状态寄存器，用于保存cpsr的状态和恢复cpsr之前的状态。

三级流水线
（1）流水线优点：
效率高
指令的执行也是按照流水线
（2）三级流水线过程：
1）取指–》取指器根据PC值取指令
2）译码–》译码器
3）执行–》执行器
以上三个器件，都是单周期的器件，三个器件的工作是独立。
指令1  指令2  指令3  指令4  指令5
1 取指
2 译码取指
3 执行译码取指
4 执行译码取指
5                   执行译码取指
6 执行译码
7                                  执行
平均一条指令执行需要1个时钟周期。
以上为最理想的代码的执行情况
   ARM状态  thumb状态
执行 PC-8    PC-4
译码 PC-4    PC-2
取址 PC       PC
程序计数寄存器PC：永远指向当前正在被取指的指令的地址。

原作者：诗丶远方的田筠

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