什么叫arm架構(gòu)？ARM的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

什么叫arm架構(gòu)

ARM架構(gòu)過去稱作進(jìn)階精簡指令集機(jī)器(AdvancedRISCMachine，更早稱作：AcornRISCMachine)，是一個(gè)32位精簡指令集(RISC)處理器架構(gòu)，其廣泛地使用在許多嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

由于節(jié)能的特點(diǎn)，ARM處理器非常適用于移動通訊領(lǐng)域，符合其主要設(shè)計(jì)目標(biāo)為低耗電的特性。

在今日，ARM家族占了所有32位嵌入式處理器75%的比例，使它成為占全世界最多數(shù)的32位架構(gòu)之一。ARM處理器可以在很多消費(fèi)性電子產(chǎn)品上看到，從可攜式裝置(PDA、移動電話、多媒體播放器、掌上型電子游戲，和計(jì)算機(jī))到電腦外設(shè)(硬盤、桌上型路由器)甚至在導(dǎo)彈的彈載計(jì)算機(jī)等軍用設(shè)施中都有他的存在。在此還有一些基于ARM設(shè)計(jì)的派生產(chǎn)品，重要產(chǎn)品還包括Marvell的XScale架構(gòu)和德州儀器的OMAP系列。

ARM架構(gòu)圖

下圖所示的是ARM構(gòu)架圖。它由32位ALU、若干個(gè)32位通用寄存器以及狀態(tài)寄存器、32&TImes；8位乘法器、32&TImes；32位桶形移位寄存器、指令譯碼以及控制邏輯、指令流水線和數(shù)據(jù)/地址寄存器組成。

1

ALU：

它有兩個(gè)操作數(shù)鎖存器、加法器、邏輯功能、結(jié)果以及零檢測邏輯構(gòu)成。

2

桶形移位寄存器：

ARM采用了32&TImes;32位的桶形移位寄存器，這樣可以使在左移/右移n位、環(huán)移n位和算術(shù)右移n位等都可以一次完成。

3

高速乘法器：

乘法器一般采用“加一移位”的方法來實(shí)現(xiàn)乘法。ARM為了提高運(yùn)算速度，則采用兩位乘法的方法，根據(jù)乘數(shù)的2位來實(shí)現(xiàn)“加一移位”運(yùn)算;ARM高速乘法器采用32&TImes;8位的結(jié)構(gòu)，這樣，可以降低集成度(其相應(yīng)芯片面積不到并行乘法器的1/3)。

4

浮點(diǎn)部件：

浮點(diǎn)部件是作為選件供ARM構(gòu)架使用。FPA10浮點(diǎn)加速器是作為協(xié)處理方式與ARM相連，并通過協(xié)處理指令的解釋來執(zhí)行。

5

控制器：

ARM的控制器采用的是硬接線的可編程邏輯陣列PLA。

6

寄存器：

除了用戶模式之外的其他6種處理器模式稱為特權(quán)模式(PrivilegedModes)。在這些模式下，程序可以訪問所有的系統(tǒng)資源，也可以任意地進(jìn)行處理器模式的切換。其中，除系統(tǒng)模式外，其他5種特權(quán)模式又稱為異常模式。

處理器模式可以通過軟件控制進(jìn)行切換，也可以通過外部中斷或異常處理過程進(jìn)行切換。大多數(shù)的用戶程序運(yùn)行在用戶模式下，這時(shí)，應(yīng)用程序不能夠訪問一些受操作系統(tǒng)保護(hù)的系統(tǒng)資源，應(yīng)用程序也不能直接進(jìn)行處理器模式的切換。當(dāng)需要進(jìn)行處理器模式的切換時(shí)，應(yīng)用程序可以產(chǎn)生異常處理，在異常處理過程中進(jìn)行模式的切換。這種體系結(jié)構(gòu)可以使操作系統(tǒng)控制整個(gè)系統(tǒng)的資源。

當(dāng)應(yīng)用程序發(fā)生異常中斷時(shí)，處理器進(jìn)入相應(yīng)的異常模式。在每一種異常模式中都有一組寄存器，供相應(yīng)的異常處理程序使用，這樣就可以保證在進(jìn)入異常模式時(shí)，用戶模式下的寄存器(保證了程序運(yùn)行狀態(tài))不被破壞。

系統(tǒng)模式并不是通過異常過程進(jìn)入的，它和用戶模式具有完全一樣的寄存器。但是系統(tǒng)模式屬于特權(quán)模式，可以訪問所有的系統(tǒng)資源，也可以直接進(jìn)行處理器模式的切換。它主要供操作系統(tǒng)任務(wù)使用。通常操作系統(tǒng)的任務(wù)需要訪問所有的系統(tǒng)資源，同時(shí)該任務(wù)仍然使用用戶模式下的寄存器組，而不是使用異常模式下相應(yīng)的寄存器組，這樣可以保證當(dāng)異常中斷發(fā)生時(shí)任務(wù)狀態(tài)不被破壞

ARM的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

要想深入理解ARM的實(shí)現(xiàn)原理是個(gè)很大的學(xué)習(xí)工程，這里一樣希望讀者讀后能對ARM起到一個(gè)總體的認(rèn)識，后續(xù)可以進(jìn)一步的深入學(xué)習(xí)。我們先以ARM匯編基礎(chǔ)來展開這一章的chat。

匯編語言是機(jī)器代碼上的一個(gè)薄的語法層，它由以二進(jìn)制編碼的指令組成，這是我們的計(jì)算機(jī)所理解。那么為什么我們不寫代碼呢？可想而知以二進(jìn)制來進(jìn)行coding的話是多么的痛苦，因此我們將編寫ARM程序集。

但是計(jì)算機(jī)本身只識別機(jī)器碼是不能運(yùn)行匯編代碼的，這就需要將匯編代碼裝到機(jī)器代碼中的工具GNUBinutils項(xiàng)目中的GNUAssembler。一旦用擴(kuò)展名*.s編寫程序就需要把它與其進(jìn)行組合并與ld鏈接起來：

我們從最底層來看下，在最底層，電路上有電信號，信號是將電壓切換為兩個(gè)電平來形成的，例如0伏(關(guān))或5伏(開)。

因?yàn)橹皇俏覀儾荒茌p易的告訴電路電壓，只能選擇使用1/0來寫入開/關(guān)的模式，然后我們對0和1的順序進(jìn)行分組，以形成機(jī)器碼指令，該指令是計(jì)算機(jī)處理器的最小工作單元，以下是機(jī)器語言的示例：

我們知道ARM處理器只能對寄存器執(zhí)行數(shù)據(jù)處理，所以與存儲器的交互有兩種：從存儲器加載到寄存器，并將值從寄存器存儲到存儲器，即ARM使用加載/存儲(LDR和STR)模型進(jìn)行內(nèi)存訪問。

通常LDR用于將內(nèi)存中的內(nèi)容加載到寄存器中，STR用于存儲寄存器中的內(nèi)容到存儲器地址。我們來舉一個(gè)基本例子：

第一看的小伙伴或許會一頭霧水，下面以一張圖來解釋下ARM是如何和存儲器交互的：

X86架構(gòu)工業(yè)電腦與ARM架構(gòu)工業(yè)電腦

的區(qū)別

1

性能：

X86架構(gòu)的工業(yè)電腦比ARM架構(gòu)的工業(yè)電腦在性能方面要快得多、強(qiáng)得多。ARM的優(yōu)勢在于效率，ARM采用RISC流水線指令集，在完成綜合性工作處于劣勢，而在任務(wù)相對固定的應(yīng)用場合其優(yōu)勢就能發(fā)揮得淋漓盡致。

2

擴(kuò)展能力：

X86架構(gòu)的工業(yè)電腦采用“橋”的方式與擴(kuò)展設(shè)備(如硬盤、內(nèi)存等)進(jìn)行連接，且X86架構(gòu)的工業(yè)電腦能很容易進(jìn)行性能擴(kuò)展，如增加內(nèi)存、硬盤等。

ARM架構(gòu)的工業(yè)電腦是通過專用的數(shù)據(jù)接口使CPU與數(shù)據(jù)存儲設(shè)備進(jìn)行連接，所以ARM的存儲、內(nèi)存等性能擴(kuò)展難以進(jìn)行(一般在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)定好其內(nèi)存及數(shù)據(jù)存儲的容量)，所以采用ARM架構(gòu)的工業(yè)電腦，一般不考慮擴(kuò)展。

3

操作系統(tǒng)的兼容性：

幾乎所有X86硬件平臺都可以直接使用微軟的視窗系統(tǒng)及現(xiàn)在流行的幾乎所有工具軟件，所以X86系統(tǒng)在兼容性方面具有無可比擬的優(yōu)勢。

ARM幾乎都采用Linux的操作系統(tǒng)，而且?guī)缀跛械挠布到y(tǒng)都要單獨(dú)構(gòu)建自己的系統(tǒng)，與其他系統(tǒng)不能兼容，這也導(dǎo)致其應(yīng)用軟件不能方便移植，也制約了ARM的發(fā)展和應(yīng)用。Android系統(tǒng)開發(fā)后，統(tǒng)一了ARM架構(gòu)電腦的操作系統(tǒng)，使新推出基于ARM架構(gòu)的電腦系統(tǒng)有了統(tǒng)一的、開放式的、免費(fèi)的操作系統(tǒng)，為ARM的發(fā)展提供了強(qiáng)大的支持和動力。

4

軟件開發(fā)的方便性及可使用工具的多樣性：

在軟件開發(fā)方面，X86架構(gòu)比ARM架構(gòu)更容易、更簡單、實(shí)際成本也更低，同時(shí)更容易找到第三方軟件(免去自己開發(fā)的時(shí)間和成本)，而且軟件移植更容易。

5

功耗：

在服務(wù)器、工作站以及其他高性能運(yùn)算等應(yīng)用方面，不考慮功耗和使用環(huán)境等條件，X86占了優(yōu)絕對優(yōu)勢;但受功耗、環(huán)境等條件制約且工作任務(wù)固定的情況下ARM就占有很大的優(yōu)勢。