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[導(dǎo)讀]ARM架構(gòu)過去稱作進(jìn)階精簡(jiǎn)指令集機(jī)器(AdvancedRISCMachine,更早稱作:AcornRISCMachine),是一個(gè)32位精簡(jiǎn)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(dòng)通訊領(lǐng)域,符合其主要設(shè)計(jì)目標(biāo)為低耗電的特性。

什么叫arm架構(gòu)

ARM架構(gòu)過去稱作進(jìn)階精簡(jiǎn)指令集機(jī)器(AdvancedRISCMachine,更早稱作:AcornRISCMachine),是一個(gè)32位精簡(jiǎn)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(dòng)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[1],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(dòng)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(cè)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(duì)ARM起到一個(gè)總體的認(rèn)識(shí),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(shí)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(hào),信號(hào)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(duì)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(duì)寄存器執(zhí)行數(shù)據(jù)處理,所以與存儲(chǔ)器的交互有兩種:從存儲(chǔ)器加載到寄存器,并將值從寄存器存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器,即ARM使用加載/存儲(chǔ)(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(chǔ)寄存器中的內(nèi)容到存儲(chǔ)器地址。我們來舉一個(gè)基本例子:

第一看的小伙伴或許會(huì)一頭霧水,下面以一張圖來解釋下ARM是如何和存儲(chǔ)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(shì)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(shì),而在任務(wù)相對(duì)固定的應(yīng)用場(chǎng)合其優(yōu)勢(shì)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(chǔ)設(shè)備進(jìn)行連接,所以ARM的存儲(chǔ)、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(chǔ)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(tái)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(shì)。

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(dòng)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(jiǎn)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(duì)優(yōu)勢(shì);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(shì)。

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