ARM微处理器结构及指令系统

CPU架构讲解X86、ARM、RISC、MIPS一、当前CPU的主流架构：1.X86架构采用CISC指令集（复杂指令集计算机），程序的各条指令是按顺序串行执行的，每条指令中的各个操作也是按顺序串行执行的。

2.ARM架构是一个32位的精简指令集（RISC）架构。

3.RISC-V架构是基于精简指令集计算（RISC）原理建立的开放指令集架构。

4.MIPS架构是一种采取精简指令集（RISC）的处理器架构，可支持高级语言的优化执行。

CPU架构是CPU厂商给属于同一系列的CPU产品定的一个规范，是区分不同类型CPU的重要标示。

二、目前市面上的CPU分类主要分有两大阵营：1.intel、AMD为首的复杂指令集CPU；2.IBM、ARM为首的精简指令集CPU。

两个不同品牌的CPU，其产品的架构也不相同，例如，Intel、AMD的CPU是X86架构的，而IBM的CPU是PowerPC架构，ARM是ARM架构。

三、四大主流CPU架构详解（X86、ARM、RISC、MIPS）1.X86架构X86是微处理器执行的计算机语言指令集，指一个Intel通用计算机系列的标准编号缩写，也标识一套通用的计算机指令集合。

1978年6月8日，Intel 发布了新款16位微处理器8086，也同时开创了一个新时代：X86架构诞生了。

X86指令集是Intel为其第一块16位CPU（i8086）专门开发的，IBM 1981年推出的世界第一台PC机中的CPU–i8088（i8086简化版）使用的也是X86指令。

采用CISC（Complex Instruction Set Computer，复杂指令集计算机）架构。

与采用RISC不同的是，在CISC处理器中，程序的各条指令是按顺序串行执行的，每条指令中的各个操作也是按顺序串行执行的。

顺序执行的优点是控制简单，但计算机各部分的利用率不高，执行速度慢。

随着CPU技术的不断发展，Intel陆续研制出更新型的i80386、i80486直到今天的Pentium 4系列，但为了保证电脑能继续运行以往开发的各类应用程序以保护和继承丰富的软件资源，所以Intel所生产的所有CPU仍然继续使用X86指令集。

• 控制位
–
程序状态寄存器PSR（Program Status Register）的最低8位I、F、T和 M[4：0]用作控制位。当异常出现时改变控制位。处理器在特权模式 下时也可由软件改变。
• 中断禁止位 I：置1，则禁止IRQ中断； F：置1，则禁止FIQ中断。 • T位 T=0 指示ARM执行； T=1 指示Thumb执行。 • 模式控制位 M4、M3、M2、Ml和M0（M[4:0]）是模式位，决定处理器 的工作模式，如表2.3.1所列。
6 （最低）
6 5
数据中止
IRQ （外部中断请求） FIQ （快速中断请求）
中止（数据）
IRQ FIQ
中止模式
IRQ FIQ
0x0000,0010
0x0000,0018 0x0000,001C
2
4 3
2.4.2 异常类型的含义
（1）复位
• • 处理器的复位电平有效时，产生复位异常 当ARM处理器或协处理器遇到不能处理的指令时，产生未定义指令异常
2.4 ARM微处理器的异常处理
• 异常：在一个正常的程序流程执行过程中，由内 部或外部源产生的一个事件使正常的程序产生暂 时的停止，称之为异常。
2.4.1 ARM体系结构的异常类型
• ARM体系结构支持7种类型的异常
• 异常出现后，强制从异常类型对应的固定存储器地址开始 执行程序。这些固定的地址称为异常向量（Exception Vectors）。
M[4:0]模式控制位
M[4： 0] 10000 10001 10010 10011 10111
处理器工作 模式 用户模式 FIQ模式 IRQ模式 管理模式 中止模式
可访问的寄存器 PC，CPSR，R14～R0 PC，R7～R0，CPSR, SPSR_fiq，R14_fiq～ R8_fiq PC，R12～R0，CPSR, SPSR_irq，R14_irq， R13_irq PC，R12～R0, CPSR, SPSR_svc，R14_svc， R13_svc PC，R12～R0, CPSR, SPSR_abt，R14_abt， R13_abt

2.5
ARM微处理器指令系统
2.5.1 基本寻址方式
寻址方式是根据指令中给出的地址码字段来实现寻找真实操作数地 址的方式，ARM处理器有9 种基本寻址方式。
1.寄存器寻址
操作数的值在寄存器中，指令中的地址码字段给出的是寄存器编 号，指令执行时直接取出寄存器值操作。
例如指令： MOV R1,R2 SUB R0,R1,R2
11111
系统模式
PC，R14～R0，CPSR（ARM v4及以上版本）
并非所有的模式位组合都能定义一种有效的处理器模式。其他组合的 结果不可预知。
2.2 ARM微处理器的寄存器结构
2.2.4 Thumb状态的寄存器集
2.2 ARM微处理器的寄存器结构
2.2.4 Thumb状态的寄存器集
Thumb 状态的寄存器在ARM 状态的寄存器上的映射


在Thumb状态下，程序计数器PC（Program Counter）使用位[1]选 择另一个半字。ARM处理器在两种工作状态之间可以切换。
Thumb状态：当操作数PSR控制位T为1时，执行BX指令进入Thumb 状态。如果处理器在Thumb状态进入异常，则当异常处理（IRQ、 FIQ、Undef、Abort和SWI）返回时，自动转换到Thumb状态。（异 常都是在ARM 状态中执行） ARM状态：当操作数PSR控制位T为0时，执行BX指令进入ARM状态 ；处理器发生异常（IRQ、FIQ、Reset、Undef、Abort和SWI）。在 此情况下，把PC内容复制到异常模式的链接寄存器中，并且异常处 理将从异常向量地址开始。
sys（系统模式）：运行具有特权的操作系统任务。

und（未定义指令中止模式）：当未定义的指令执行时进入该 模式，可用于支持硬件协处理器的软件仿真。

第2章 ARM微处理器概述
本章目标
ARM微处理器的应用与选型
ARM微处理器的数据类型和工作状态 ARM微处理器工作模式 ARM微处理器的寄存器

2.1 ARM微处理器概述
问题
ARM微处理器有哪些技术特点，其应用在哪些领
域？
重点
ARM微处理器的技术特点。
内容
ARM微处理器的技术特点和其应用领域。
ARM 以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。

网络系统：
随着宽带技术的推广，采用ARM 技术的ADSL 芯片正逐
步获得竞争优势。此外，ARM 在语音及视频处理上行了 优化，并获得广泛支持，也对DSP 的应用领域提出了挑 战。

消费类电子产品：
ARM 技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和
2.2.2 ARM体系结构版本
任务：了解ARM体系结构的各个 版本及其特点
ARM指令集体系结构，从最初开发至今已有
了重大改进，而且将会不断完善和发展。为 了精确表达每个ARM实现中所使用的指令集， 到目前ARM体系结构共定义了6个版本，各 版本特点如下：
Version 1（v1）
基本数据处理指令（不包括乘法指令）；
Version 3（v3）




该版本推出32位寻址能力，主要结构扩展变化为： 32 位地址总线，但除版本3G（版本3的一个变种）外其他版本是向前兼 容的，支持26 位地址总线； 当前程序状态信息从原来的R15移到一个新的寄存器CPSR（Current Program Status Register，当前程序状态寄存器）中； 增加了SPSR（Saved Program Status Register，备份程序状态寄存 器），用于在程序异常中断程序时，保存被中断程序的程序状态； 增加了两种处理器模式，使操作系统代码可以方便地使用数据访问中止 异常、指令预取中止异常和未定义指令异常； 增加了指令MSR和MRS，用于访问CPSR和SPSR； 增加了原来的从异常返回的指令。