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ARM 架构、cpu

news 2025/9/14 14:44:11

一、ARM的架构

ARM是一种基于精简指令集（RISC）的处理器架构.

1、ARM芯片特点

ARM芯片的主要特点有以下几点：

精简指令集：ARM芯片使用精简指令集，即每条指令只完成一项简单的操作，从而提高指令的执行效率和处理器的性能。相比之下，复杂指令集（CISC）的指令可以完成多项复杂的操作，但是需要更多的硬件资源和执行时间。
负载/存储架构：ARM芯片使用负载/存储架构，即只有专门的负载和存储指令可以访问内存，其他指令只能在寄存器之间进行操作。这样可以减少内存访问的次数和延迟，提高数据处理的速度。相比之下，寄存器/内存架构的处理器可以直接在内存和寄存器之间进行操作，但是会增加内存访问的开销。
统一寄存器文件：ARM芯片使用统一寄存器文件，即所有的通用寄存器都可以用于任何目的，没有专门的数据寄存器或地址寄存器。这样可以提高寄存器的利用率和灵活性，减少数据移动的开销。相比之下，分段寄存器文件的处理器需要区分不同类型的寄存器，并进行相应的转换。
条件执行：ARM芯片支持条件执行，即每条指令都可以根据一个条件码来决定是否执行。这样可以减少分支指令的使用，提高代码密度和流水线效率。相比之下，非条件执行的处理器需要使用专门的分支指令来实现条件跳转。
多种工作模式：ARM芯片支持多种工作模式，例如用户模式、系统模式、管理模式、中断模式、异常模式等。不同的工作模式有不同的权限和功能，可以实现不同级别的任务切换和异常处理。相比之下，单一工作模式的处理器需要使用软件来模拟多任务和异常处理。

2、按核心类型分类

ARM核心 是指实现了某个版本ARM架构的具体处理器设计，它由ARM公司设计并授权给其他厂商生产。不同类型的ARM核心有不同的性能、功耗、面积等。例如，Cortex-A系列是针对高性能应用的核心，Cortex-R系列是针对实时应用的核心，Cortex-M系列是针对微控制器应用的核心等。

一、Cortex-A系列

特点：面向高性能应用，支持虚拟内存和复杂的操作系统，具有较高的处理能力和较大的缓存容量。
适用领域：智能手机、平板电脑、服务器和嵌入式系统等需要高性能的领域。
典型内核：Cortex-A76、Cortex-A75、Cortex-A73、Cortex-A72、Cortex-A9以及最新的Cortex-X2、Cortex-A710和Cortex-A510等。

二、Cortex-R系列

特点：针对实时系统，具有较低的延迟和较高的可靠性，专门设计用于实时应用。
适用领域：汽车电子、工业控制、医疗设备等需要实时控制和嵌入式系统的领域。
典型内核：Cortex-R4、Cortex-R5、Cortex-R7以及最新的Cortex-R8等。

三、Cortex-M系列

特点：面向低功耗嵌入式应用，具有较低的功耗和较小的尺寸，易于编程。
适用领域：物联网设备、传感器、智能家居、可穿戴设备和嵌入式控制器等低功耗、实时和成本敏感的应用。
典型内核：Cortex-M0、Cortex-M0+、Cortex-M3、Cortex-M4和Cortex-M7等。其中，Cortex-M4在Cortex-M3的基础上增加了DSP指令集，具有更强的计算能力和信号处理能力；而Cortex-M7则是Cortex-M4的升级版本，提供更高的性能和计算能力。

二、计算机的组成

闪存（Flash）则结合了RAM和ROM的优点，它既可以在断电后保留数据，又具有较快的读写速度。

三、cpu的内部架构

MMU（Memory Manager Unit），是内存管理单元，负责将虚拟地址转换成物理地址。除此之外，MMU 实现了内存保护，进程无法直接访问物理内存，防止内存数据被随意篡改。

PC指针的工作原理

1、取指（Fetch）：

在取指阶段，处理器从 PC 指向的地址读取指令。 PC 指向当前要执行的指令的内存地址，并将这一指令从内存中读取到指令寄存器中。
由于 ARM 指令是固定大小的（大多数情况下为 4 字节），所以每次取指时 PC 的值会加上 4（在某些特殊情况下如 Thumb 模式可能会有所不同）。

2、解码（Decode）：

在解码阶段，处理器解析刚刚取出的指令，确定需要执行的操作和参与的寄存器等信息。
解码阶段虽然不直接改变 PC 的值，但它为处理器后续的执行阶段提供了必要的信息。

3、执行（Execute）：

在执行阶段，处理器根据解码结果进行相应的计算或操作，如寄存器间的加法、逻辑运算等。
执行完成后，若为跳转指令（例如条件跳转、无条件跳转等），则会修改 PC 的值以指向跳转后的地址。

PC 与流水线的关系
在现代 ARM 处理器中，流水线技术得到了广泛应用，通常分为几个阶段，例如取指、解码、执行、访存和写回。流水线的设计允许多个指令并行处理，从而提高处理器的整体性能。

流水线结构：

在流水线结构中，多个指令可以在不同阶段同时进行。例如，第一条指令在取指阶段，第二条指令在解码阶段，第三条指令在执行阶段，依此类推。例如：
Cycle 1: 取指指令1
Cycle 2: 取指指令2，解码指令1
Cycle 3: 取指指令3，解码指令2，执行指令1
…
PC 的实时更新：

PC 通常会在取指阶段被更新。因为它在每次取指时会自动加上指令的宽度（如 4 字节），顺序执行。
但是在跳转指令出现时，PC 的更新会变得复杂，可能需要在解码或执行阶段更新，这会涉及到分支预测等技术，以减少因跳转带来的流水线冒险（Stall）。

流水线冒险
流水线中的“冒险”问题指的是指令在不同阶段之间的依赖关系，主要有：

结构冒险：由于硬件资源不足而导致的冲突。
数据冒险：指令之间依赖导致的数据读取/写入冲突。
控制冒险：因分支指令导致的流水线需要多清空和重新加载指令的问题。
为了减少控制冒险，现代处理器使用分支预测技术和延迟槽等技术来优化 PC 的调整和指令的顺序执行。

总结
PC 在 ARM 处理器中起到了指向当前执行指令地址的作用。
PC 的取指、解码、执行等过程是紧密联系在一起的，形成了处理器指令执行的基本循环。
流水线设计允许指令在多个阶段并行处理，提高了处理器的效率，但也引入了冒险问题，需要通过结构设计和控制策略来解决。

流水线：

ARM寄存器

ARM 寄存器是 ARM 处理器内部用于存储数据、地址和处理器状态等信息的存储单元。ARM 寄存器主要分为通用寄存器和特殊寄存器两类：

通用寄存器：
未分组寄存器 R0-R7：在所有的运行模式下，这 8 个寄存器都指向同一个物理寄存器，它们没有被系统用作特殊用途。但是在中断或异常处理进行运行模式转换时，由于不同的处理器运行模式均使用相同的物理寄存器，可能会造成这些寄存器中数据的破坏。
分组寄存器 R8-R12：对于这 5 个寄存器，每个寄存器对应 2 个不同的物理寄存器。当使用快速中断模式（FIQ）时，访问的是R8_fiq - R12_fiq；当使用除 FIQ 模式以外的其他模式时，访问的是R8_usr - R12_usr。这些寄存器可用于数据的暂存和运算，在不同的模式下可以根据需要切换使用不同的物理寄存器。
程序计数器 PC（R15）：用于存放当前指令的下一条指令的地址。由于 ARM 体系结构采用了多级流水线技术，对于 ARM 指令集而言，PC 总是指向当前指令的下两条指令的地址，即 PC 的值为当前指令的地址值加 8 个字节（在 Thumb 指令集中，PC 的值为当前指令的地址值加 4 个字节）3。

特殊寄存器：
栈指针 SP（R13）：实际上 R13 在不同的处理器模式下有不同的物理寄存器，每个异常模式都有自己独立的 R13。在 ARM 指令中，R13 常用作堆栈指针，用于存储函数调用时的局部变量、参数、返回地址等信息。通过PUSH（入栈）和POP（出栈）操作可以实现对栈的访问23。
链接寄存器 LR（R14）：用于保存函数或子程序调用时的返回地址。当执行子程序调用指令（如BL）时，会自动将返回地址放入 LR 中，当子程序执行结束后，将 LR 中的值加载至 PC 中，就可以返回到调用处继续执行。在发生异常时，异常模式的 LR 也可以用来保存异常返回地址23。

程序状态寄存器3：
当前程序状态寄存器 CPSR：可以在任何运行模式下被访问，它包含条件标志位（如 N、Z、C、V）、中断禁止位、当前处理器模式标志位以及其他一些相关的控制和状态位。这些标志位可以被算术或逻辑运算的结果所改变，并且可以决定某条指令是否被执行。
备份的程序状态寄存器 SPSR：每种异常模式下都有一个专用的 SPSR，当异常发生时，SPSR 用于保存 CPSR 的当前值，以便从异常退出时可以由 SPSR 来恢复 CPSR。用户模式和系统模式不属于异常模式，它们没有 SPSR。

四、处理器内部架构

Cache：

高速缓存。

五、工作模式

处理器（CPU）的7种工作模式主要包括：

用户模式（User Mode）：
- 非特权模式，是大多数用户程序正常执行的模式。
- 在此模式下，程序无法直接访问硬件资源或改变处理器的工作模式，除非通过软中断或异常。
快速中断模式（FIQ Mode）：
- 也称为快速中断响应模式，用于处理高优先级的中断请求。
- 这种模式支持高速数据传输和通道处理，适用于需要快速响应的中断场景。
普通中断模式（IRQ Mode）：
- 也称为一般中断模式，用于处理普通的中断请求。
- 在硬件产生中断信号后，处理器会自动进入此模式，并允许程序访问系统硬件资源。
管理模式（SVC Mode）：
- 也称为操作系统保护模式，是操作系统内核代码运行的模式。
- 当CPU上电复位或应用程序执行SVC指令调用系统服务时，会进入此模式。
中止模式（Abort Mode）：
- 当数据或指令预取终止时进入此模式。
- 此模式用于处理存储器故障、实现虚拟存储或存储保护。
- 当用户程序访问非法地址或没有权限读取的内存地址时，会触发此模式。
未定义指令异常模式（Undefined Instruction Mode）：
- 当处理器执行未定义的指令时进入此模式。
- 此模式主要用于处理未定义的指令陷阱，并支持硬件协处理器的软件仿真。
系统模式（System Mode）：
- 特权模式之一，使用与管理模式相同的寄存器组。
- 用于运行特权级的操作和系统任务。

在这7种工作模式中，除了用户模式以外，其他6种模式可以称为特权模式。在特权模式下，程序可以访问所有的系统资源，也可以任意地进行处理器模式的切换。其中，除了系统模式外的其他5种特权模式又称为异常模式。