2023/9/26 -- ARM_arm处理器一个空指令占几个指令周期

【计算机相关理论】

1.计算机的组成

输入设备、输出设备、存储器、运算器、控制器

1.输入设备：将编写好的软件代码以及相关的数据输送到计算机中。转换成计算机可以识别、存储

和处理的数据。       

        例如：鼠标、键盘、复印机、传感器

2.输出设备：将计算机处理的数据的结果通过输出设备进行输出，输出到计算机的外部。

        例如：显示屏 音响 打印机 投影仪

3.存储器：存储器是计算机用来存放程序指令和数据的部件，也是计算机能够实现“程序存储控制”

的基础。

• MMU 内存（主存储器）：一般程序的指令的执行时会预先加载到内存上，CPU从内存里拿数据和指令。
• 外存（辅助存储器）：存储一些不直接加载到程序里的数据。
• 缓存（cache）:暂时存储数据的部件,CPU快速读取数据。
• volatile 寄存器：在cpu内部，没有地址概念。

4.控制器（CU）：计算机的控制中枢，对机器指令进行译码，并且对译码后的结果做相关控制。

5.运算器：算数逻辑运算单元（ALU）将译码后的指令进行逻辑算数运算，并且把运算结果输出。

2.程序编译的原理

编译步骤：预处理         编译         汇编         链接

CPU能够识别的唯一的语言是机器语言，一个CPU能够识别哪一些机器指令是由处理器的硬件（运算器的类型）决定的。不同的机器指令代表不同的运算。不同的CPU的机器码是不通用的，不可以移植。汇编就是一个机器码的标识。不同的CPU机器指令不通用所以汇编也不通用。我们可以采用不同的编译工具将C程序编译生成在不同架构机器上可以执行的机器指令文件

3.指令和指令集

机器指令（指令的机器码）：由二进制的0和1组成的一条机器码。计算机解析这条机器指令可以做相应的运算处理。

汇编指令：每一条汇编指令就是一条机器指令的标志。执行汇编指令可以让计算机做出相应的运算处理。

汇编的指令集：汇编指令的集合。

4.RISC和CISC

4.1 RISC精简指令集

精简指令集的架构主要应用在嵌入式的设备上

精简指令集是在复杂指令集的基础上选取一些比较简单，使用频率比较高的指令，组成了一个指令集

精简指令集的特点：

1.指令的长度和执行周期固定

        指令的长度：一条机器指令在计算机占用的存储空间

        指令的周期:CPU执行一条机器指令所花费的时间（时钟周期）

        时钟周期：CPU的工作频率决定

2.基于精简指令集生产的CPU功耗低，成本低，但是实现的功能也相对简单

对于ARM指令，但多数都是单周期指令，指令长度为32bit

查看一个ARM机器的程序中的指令长度：

        使用交叉编译工具链生产程序的反汇编文件 arm-linux-gnueabihf-objdump -D a.out

4.2 CISC：复杂指令集

复杂指令集的架构一般用于PC端         X86和X64都是复杂指令集CPU

复杂指令集更加注重指令的功能性，复杂指令集的指令周期和指令的长度都不固定

复杂指令集生产的芯片成本、功耗都会更大，但是性能也会更强

查看复杂指令集的程序机器码： gcc 1.c objdump -D a.out > a.dis

5.国际上比较主流的几类RISC内核

ARM内核--》主流的嵌入式内核，不开源，需要授权 RISC-V->正在发展，开源 MIPS：完全闭源，中国龙芯科技将MIPS直接买断，不受版权控制，还在它的基础上做了拓展

【ARM相关内容】

1.ARM的发展

ARM发展史 (huawei.com)

2.ARM架构

arm针对不同版本的指令集起的名字叫做ARM不同的架构

• ARMV1-ARMV6架构：已经被淘汰
• ARMV7架构：32位的架构，支持32位指令集的架构
• ARMV8架构：64位架构，支持64位指令集的架构，向下兼容32位指令
• ARMV9架构：64位架构，支持64位指令集的架构

3.ARM内核

基于不同的架构生产出来的不同的处理器核心叫做内核

• arm7/arm9/arm11
• cortex-A7 ARMV7
• cortex-A53 ARMV8
• cortex-A55 ARMV8
• cortex-A77 ARMV8
• cortex-A78 ARMV8
• cortex-X1 ARMV8
• cortex-a710 ARMV9
• cortex-a510 ARMV9

4.SOC(system on chip)

ARM公司只做技术授权，将自己的IP授权给芯片厂商，芯片厂商基于ARM提供的arm技术，在ARM处理器的基础上添加了一些外围设备和电路，集成了一个芯片，这个芯片被称为SOC（片上系统）

5.ARM产品分布

5.1 cortex-A系列

cortex-A系列的核心是ARM处理器中性能最完善的 处理器。属于高端处理器 在

基于cortex-A的核心的开发板上可以搭载linux\鸿蒙等标准化操作系统

5.2 cortex-R系列

cortex-R系列的处理器追求系统的实时性能，对于数据的实时性要求高的场景下使用cortex-R系列的处理

5.3 cortex-M系列

ARM处理器中比较低端的芯片处理器，处理器的工作主频一般在24MHZ-256MHZ之间

cortexM处理器一般不跑操作系统，主要执行一些裸机程序

cortex-M可以搭载一些实时操作系统 freeRTOS

5.4 SecurCore系列

用于对于安全性能要求比较高的场景下

6.ARM的数据约定

A7采用的是32位架构.

ARM32位处理器 约定:

• Byte 8 bits.
• Halfword 16 bits.
• Word 32 bits.
• Doubleword 64 bits.（64位处理器中才有）
• quardworld 128bit （64位处理器中才有）

7.ARMv7架构和ARMV8架构的区别

ARMV7架构支持32位汇编指令集

        32位指令集表示一条指令的大小是32位

ARMV8架构支持64位汇编指令集，同时向下兼容32位指令集

32位的处理：表示一条指令最高可以完成32位数据的运算

ARM指令集：一条指令32位

THUMB指令集：一条指令16位

8.ARM的工作模式

ARM 有7种基本工作模式:

1. User : 非特权模式，大部分任务执行在这种模式
2. FIQ : 当一个快速（fast) 中断产生时将会进入这种模式
3. IRQ : 当一个通用（normal) 中断产生时将会进入这种模式
4. Supervisor(svc) :当复位或软中断指令执行时将会进入这种模式
5. Abort : 当存取异常时将会进入这种模式 Undef : 当执行未定义指令时会进入这种模式
6. System : 使用和User模式相同寄存器集的特权模式 Cortex-A特有模式：
7. Monitor : 是为了安全而扩展出的用于执行安全监控代码的模式； 也是一种特权模式 HYP:虚拟化模式，当一个硬件上运行两个OS内核时进入这个模式

9.ARM寄存器组织

9.1 ARM V7架构各个模式下的寄存器组织

1.每一种工作模式下只能使用自己这个模式下的寄存器

2.user模式和system可以使用的寄存器是17个，这17个寄存器被称为通用寄存器

3.处理ssytem模式，其他的特权模式下都会有自己特有的寄存器可用

4.寄存器没有地址，想要访问这个寄存器直接通过寄存器名字或者编号就可以访问

9.2 ARM V8架构下的寄存器组织

9.3 ARM V7架构下的一些特殊功能寄存器

R13寄存器（SP）

SP(stack pointer):R13又被称为栈指针寄存器

一般在内存中分出一部分内存当作栈使用，SP寄存器始终保存栈顶空间的地址

栈中一般存放一些临时数据，也可以用于进行保护现场

r15寄存器（PC）

PC（program counter）:程序计数器

PC寄存器中始终保存马上就要执行的指令的地址，每次指令执行完毕后PC寄存器的值会自动向下+4，特殊情况下可以手动修改PC寄存器的数值

R14寄存器（LR）

LR(link register):链接寄存器，在程序跳转时保存跳转指令下一条指令的地址，方便程序返回

当程序跳转后PC保存跳转后的指令的地址

程序返回时，将LR寄存器的值赋值给PC寄存器，CPU就可以执行跳转指令下一条指令了

CPSR寄存器和SPSR寄存器

1. cpsr : current program stated register

        当前程序状态寄存器：保存的是当前程序的运行状态(比如工作模式)

2. spsr : saved program stated register

        保存程序状态寄存器：主要用户保存当前程序状态寄存器的。

1. N[31] ： 指令的运行结果为负数时，N位被自动置1，否则为0.
        eg ： 100 - 200
  
2. Z[30] ： 指令的运行结果为零时，Z位被自动置1，否则为0.
                100-100
        
3. C[29] :  
        加法：加法运算如果产生进位，C位被自动置1，否则为0.
            32位指令：低32位向高32位进位
   0XFFFFFFFF+1
 
        减法：减法运算如果产生借位，C位被自动清0，否则位1.
            32位指令：低32位向高32位借位
   1-0XFFFFFFFE
4. V[28] : 符号位发送变化，V位被自动置1，否则清0.
 
5. I[7] : IRQ中断屏蔽位
    I = 0 : 不屏蔽IRQ中断
    I = 1 : 屏蔽IRQ中断
6. F[6] : FIQ中断屏蔽位
    F = 0 : 不屏蔽FIQ中断
    F = 1 : 屏蔽FIQ中断
7. T[5] : 状态位
    T = 0 : 表示ARM状态，执行的是ARM指令集 
    T = 1 : 表示Thumb状态，执行的是Thumb指令集
    
    ARM指令集 ： 一条汇编指令编译生成32位的机器码
    thumb指令集：一条汇编指令编译生成16位的机器码
    ARM指令集的代码的密度低，而thumb指令记得代码密度高。
    ARM指令集的功能性要高于Thumb指令集。
8. M[4:0] : 模式位
    10000  User mode;    
    10001  FIQ mode; 
    10010  IRQ        
    10011  SVC mode;
    10111  Abort mode;  
    11011  Undfined mode;  
    11111  System mode;     
    10110  Monitor mode;   
  
    其他没有使用到的值，保留。

10 ARM的流水线工作

10.1 一条指令的执行过程

1.取址：cpu将PC寄存器的数值通过地址总线传输给存储器，存储器将PC存储的地址位置的指令传输到CPU内存，存放在IR寄存器中

2.译码：IR寄存器的指令交给译码器，对指令进行译码

3.执行：控制器把译码之后的指令交给运算器，运算器再进行对于的运算操作

10.2 ARM三级流水线

当一条指令正在被取址时，译码模块和执行模块处于空闲状态，这样两个模块没有被充分利用。为了充分利用指令处理模块，增加指令处理速度，我们引入了三级流水线：