什么叫arm架構

ARM架構過去稱作進階精簡指令集機器(AdvancedRISCMachine，更早稱作：AcornRISCMachine)，是一個32位精簡指令集(RISC)處理器架構，其廣泛地使用在許多嵌入式系統(tǒng)設計。由于節(jié)能的特點，ARM處理器非常適用于移動通訊領域，符合其主要設計目標為低耗電的特性。

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位架構之一。ARM處理器可以在很多消費性電子產(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，和計算機)到電腦外設(硬盤、桌上型路由器)甚至在導彈的彈載計算機等軍用設施中都有他的存在。在此還有一些基于ARM設計的派生產(chǎn)品，重要產(chǎn)品還包括Marvell的XScale架構和德州儀器的OMAP系列。

ARM架構圖

下圖所示的是ARM構架圖。它由32位ALU、若干個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：它有兩個操作數(shù)鎖存器、加法器、邏輯功能、結果以及零檢測邏輯構成。

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

4.浮點部件：浮點部件是作為選件供ARM構架使用。FPA10浮點加速器是作為協(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，也可以任意地進行處理器模式的切換。其中，除系統(tǒng)模式外，其他5種特權模式又稱為異常模式。

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

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

系統(tǒng)模式并不是通過異常過程進入的，它和用戶模式具有完全一樣的寄存器。但是系統(tǒng)模式屬于特權模式，可以訪問所有的系統(tǒng)資源，也可以直接進行處理器模式的切換。它主要供操作系統(tǒng)任務使用。通常操作系統(tǒng)的任務需要訪問所有的系統(tǒng)資源，同時該任務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的寄存器組，這樣可以保證當異常中斷發(fā)生時任務狀態(tài)不被破壞

ARM的技術實現(xiàn)

要想深入理解ARM的實現(xiàn)原理是個很大的學習工程，這里一樣希望讀者讀后能對ARM起到一個總體的認識，后續(xù)可以進一步的深入學習。我們先以ARM匯編基礎來展開這一章的chat。

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

但是計算機本身只識別機器碼是不能運行匯編代碼的，這就需要將匯編代碼裝到機器代碼中的工具GNUBinutils項目中的GNUAssembler。一旦用擴展名*.s編寫程序就需要把它與其進行組合并與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電平來形成的，例如0伏(關)或5伏(開)。

因為只是我們不能輕易的告訴電路電壓，只能選擇使用1/0來寫入開/關的模式，然后我們對0和1的順序進行分組，以形成機器碼指令，該指令是計算機處理器的最小工作單元，以下是機器語言的示例：

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)模型進行內存訪問。

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

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架構工業(yè)電腦與ARM架構工業(yè)電腦的區(qū)別

1、性能

X86架構的工業(yè)電腦比ARM架構的工業(yè)電腦在性能方面要快得多、強得多。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，而在任務相對固定的應用場合其優(yōu)勢就能發(fā)揮得淋漓盡致。

2、擴展能力

X86架構的工業(yè)電腦采用“橋”的方式與擴展設備(如硬盤、內存等)進行連接，且X86架構的工業(yè)電腦能很容易進行性能擴展，如增加內存、硬盤等。

ARM架構的工業(yè)電腦是通過專用的數(shù)據(jù)接口使CPU與數(shù)據(jù)存儲設備進行連接，所以ARM的存儲、內存等性能擴展難以進行(一般在產(chǎn)品設計時已經(jīng)定好其內存及數(shù)據(jù)存儲的容量)，所以采用ARM架構的工業(yè)電腦，一般不考慮擴展。

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)都要單獨構建自己的系統(tǒng)，與其他系統(tǒng)不能兼容，這也導致其應用軟件不能方便移植，也制約了ARM的發(fā)展和應用。Android系統(tǒng)開發(fā)后，統(tǒng)一了ARM架構電腦的操作系統(tǒng)，使新推出基于ARM架構的電腦系統(tǒng)有了統(tǒng)一的、開放式的、免費的操作系統(tǒng)，為ARM的發(fā)展提供了強大的支持和動力。

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架構比ARM架構更容易、更簡單、實際成本也更低，同時更容易找到第三方軟件(免去自己開發(fā)的時間和成本)，而且軟件移植更容易。

5、功耗

在服務器、工作站以及其他高性能運算等應用方面，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固定的情況下ARM就占有很大的優(yōu)勢。