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常见的处理器架构有X86、ARM、MIPS等。
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常见的处理器架构有X86、ARM、MIPS等。
X86X86指令集是美国Intel公司为其第一块16位CPUi8086专门开发的美国IBM公司1981年推出的世界第一台PC机中的CPU-i8088i8086简化版使用的也是X86指令。采用CISCComplex Instruction Set Computer复杂指令集计算机架构。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。
ARMARM架构采用精简指令集计算机RISC架构具有高性能、低功耗、低成本等优点广泛应用于移动设备、嵌入式系统等领域。
MIPSMIPS架构是一种高性能、低功耗的处理器架构采用简单指令集计算机RISC架构适合于各种嵌入式应用领域如网络通信、多媒体处理等。
此外还有一些其他的处理器架构如PowerPC、SPARC等但以上三种是最常见的处理器架构。
Arm 架构概述
Arm 架构是世界上最受欢迎的处理器架构之一, ARM架构曾被称为进阶精简指令集机器Advanced RISC Machine更早被称为Acorn RISC Machine是一个32位精简指令集RISC处理器架构。ARM架构广泛应用于许多嵌入式系统设计低耗电节能非常适用于移动通讯领域。其派生产品包括Marvell的XScale架构和德州仪器的OMAP系列。ARM家族在所有32位嵌入式处理器中占比达到75%成为全球数量最多的32位架构。此外ARM处理器还广泛应用于消费性电子产品、电脑外设和军用设施等领域。
A-Profile应用具备较高性能常用于设计运行复杂的大型操作系统例如 Linux 或 Windows等
R-Profile实时针对具有实时要求较高的系统主要用于网络设备和嵌入式控制系统中。
M-Profile微控制器小型、高能效器件位于许多物联网设备的核心常见的很多单片机就是基于ARM M。
下图是常见智能手机内部包含的处理器类型A-Profile作为主CPU主要负责运行复杂的操作系统比如Android系统。R-Profile常用于解调调制中的通信模块或实时性较高的WIFI模块M-Profile广泛用于电源管理摄像定位等模组中。
系统架构
ARM架构指的是处理器的功能规范架构会指定处理器的行为方式常常包含指令集寄存器集。异常模型内存模型等的规范。当然系统不仅包括一个处理器内核。Arm 还提供了规范来描述包含处理器的系统的要求。如下图所示。
Arm 架构是第一层通过指令集架构 ISA 兼容性为软件提供通用的开发者模型。
第二层是基本系统体系结构 BSA 规范该规范描述了系统软件可以依赖的硬件系统体系结构。BSA 涵盖了处理器和系统架构的各个方面例如中断控制器、定时器和操作系统所需的其他常见设备。这为标准操作系统、虚拟机管理程序和固件提供了一个可靠的平台。第二层也包含基本启动要求 BBR 规范涵盖了基于 Arm 架构的系统以及操作系统和虚拟机监控程序可以依赖的系统的要求。此规范建立了固件接口要求如 PSCI、SMCCC、UEFI、ACPI 和 SMBIOS。
第三层xBSA 针对不同的市场和用例。其他标准可以建立在 BSA 的基础上以提供特定于市场的标准化。 您可以将体系结构视为硬件和软件之间的契约。体系结构描述了软件可以依赖硬件提供的功能。有些功能是可选的。
微架构
处理器的构建和设计称为微架构。微架构告诉您特定处理器的工作原理。 微架构通常会详细的价绍处理器的内部细节如 管道长度和布局 缓存的数量和大小 单个指令的周期盘点 实现了哪些可选功能等等
其他Arm 架构
Arm 架构是最著名的 Arm 规范但不是唯一的规范。Arm 对构成现代片上系统 SoC 的许多组件具有相似的规格。下图提供了一些示例 通用中断控制器通用中断控制器 GIC 规范是用于 Armv7-A/R 和 Armv8-A/R 的标准化中断控制器。 系统内存管理单元系统内存管理单元SMMU 或有时是 IOMMU为非处理器主机提供转换服务。 通用计时器通用计时器为系统中的所有处理器提供通用参考系统计数。这些计时器提供用于操作系统调度程序滴答等功能的功能。通用计时器是 Arm 体系结构的一部分但系统计数器是系统组件。 服务器基础系统体系结构和可信基础系统体系结构服务器基础系统体系结构 SBSA 和可信基础系统体系结构 TBSA 为 SoC 开发人员提供系统设计指南。 高级微控制器总线架构高级微控制器总线架构 AMBA 系列总线协议控制基于 Arm 的系统中组件的连接方式以及这些连接上的协议。
Cortex-A7 MPCore 简介
Cortex-A7 MPCore 支持在一个处理器上选配 1~4 个内核。在进行多核配置时需要使用ACE主接口和中断控制器来控制Snoop Control unit监控控制单元。具体细节请参考ARM官方参考手册。 如图所示
Cortex-A 处理器运行模型
ARM 处理器包含多种运行模型User、FIQ、IRQ、Supervisor(SVC)、Abort、Undef和 System其中 User 是非特权模式其余 6 中都是特权模式。
在新的 Cortex-A 架构加入了TrustZone 安全扩展所以就新加了一种运行模式Monitor新的处理器架构还支持虚拟化扩展因此又加入了另一个运行模式Hyp所以 Cortex-A7 处理器有 9 种处理模式。
几种模式的功能描述如下
模式功能User(USR)用户模式非特权模式大部分程序运行的时候就处于此模式FIQ快速中断模式进入 FIQ 中断异常IRQ一般中断模式。Supervisor(SVC)超级管理员模式特权模式供操作系统使用。Monitor(MON)监视模式,这个模式用于安全扩展模式Abort(ABT)数据访问终止模式用于虚拟存储以及存储保护。Hyp(HYP)用于虚拟化扩展Undef(UND)未定义指令终止模式。System(SYS)系统模式用于运行特权级的操作系统任务
这几个运行模式可以通过软件或者通过中断或者异常来进行切换。大多数的程序都运行在用户模式用户模式下是不能访问系统所有资源的有些资源是受限的要想访问这些受限的资源就必须进行模式切换。
Cortex-A 寄存器组
ARM 架构提供了 16 个 32 位的通用寄存器(R0~R15)供软件使用前 15 个(R0~R14)可以用作通用的数据存储R15 是程序计数器 PC用来保存将要执行的指令。ARM 还提供了一个当前程序状态寄存器 CPSR 和一个备份程序状态寄存器 SPSRSPSR 寄存器就是 CPSR 寄存器的备份。
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参考链接与书籍 https://developer.arm.com/documentation 《正点原子IMX6U嵌入式linux驱动开发指南》 《ARM Cortex-A(armV7)编程手册》
