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运算器能够进行算数运算和逻辑运算#xff0c;这些运算在CPU中都是以运算电路的形式存在#xff0c;一个运算功能对应一种运算电…CPU工作原理
CPU与内存中的内容
内存中存放了指令每一个指令存放的地址不一样所需的内存空间也不一样。
运算器能够进行算数运算和逻辑运算这些运算在CPU中都是以运算电路的形式存在一个运算功能对应一种运算电路。程序中有哪种运算CPU的运算器中就要有相应的运算电路与之对应。
控制器负责代码运行的过程有指令计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器。
PC中存放的是想要执行的指令的地址IR中存放从内存中读取到的指令指令译码器负责将指令翻译为对应的操作并发给运算器。 CPU如何执行程序
CPU是串行工作方式即同一时刻只能进行一种运算。执行过程有取指、译码、执行这三步。
取指
取指就是CPU从内存中取出所需要执行的指令。
CPU将PC中存放的地址数据通过地址总线告诉内存即告诉内存我想要执行哪里的指令。内存接收到PC的地址数据后定位到指定的地址并将地址的数据通过数据总线发给CPU这个数据将存放在CPU的指令寄存器IR中。
译码
译码就是将IR中的数据翻译为具体的运算含义。
CPU将IR中的数据发送给指令译码器通过译码之后CPU获取到该指令的具体含义。
执行
执行就是将翻译的指令进行真正的运算得出相应的结果。
译码器翻译之后将会把这个译码后的内容给指定的运算电路。比如译码出来是乘法运算那么数据就会发给乘法运算电路而不是发给加法运算电路。运算电路运算之后将会把结果放在一个寄存器中。
执行之后PC的值自动偏移指令所需空间的大小值以便于下一条指令的执行。 ARM概述
1、ARM产品
ARM、CPU、SOC的关系
ARM内核不是完整的CPU而是CPU芯片中的核心部分它需要与其他组件如缓存、输入/输出接口等一起集成到一个芯片上才能构成一个完整的CPU。
SOC就是系统级芯片也叫片上系统它指的是将CPU和该产品所需的外设集成在一个芯片中的技术。
ARM系列产品有哪些
ARM产品的命名发展为ARM7-ARM9-ARM11-ARM-Cortex。其中Cortex分为A、R、M不同的类型应用场景也不同。
ARM-Cortex A系列针对开放式操作系统的高性能处理器应用于智能手机、数字电视、智能本等高端运用ARM-Cortex R系列针对实时系统、满足实时性的控制需求应于汽车制动系统、动力系统等ARM-Cortex M系列为单片机驱动的系统提供了低成本优化方案应用于传统的微控制器市场、智能传感器、汽车周边等
2、ARM指令集
2.1 指令集相关概念
什么是指令
指令就是CPU能够认识的代码一个CPU能够执行哪些指令这与CPU的硬件设计相关。指令与CPU的运算器中的运算电路要一一对应只有这样CPU在译码指令之后才能真正将指令发给运算器去执行。
指令在内存中是以机器码二进制的方式存在的每一条指令都对应一条汇编语言。注意高级语言C语言与指令并不是一一对应的关系比如CPU在只有加法但没有乘法的运算电路时要执行3*3C语言中可以直接写入3*3这时编译器会将3*3编译为333这就对应3条汇编语句也就是对应3条指令即CPU会执行3遍加运算来实现C语言中的3*3语句。
程序就是指令的有序集合。
什么是指令集
指令集就是处理器能够识别的指令的集合是处理器对开发者提供的接口即作为开发者并不关心CPU中加法电路是如何实现的只关心哪一条汇编对应加法运算调用该汇编即可控制加法电路进行工作。
不同架构的处理器指令集也不同因为每个CPU的运算器中的运算电路可以不同这就导致CPU能够识别的指令不同从而指令集不同。
什么是精简指令集RISC
ARM属于精简指令集处理器。处理器的内核分为两类一种是精简指令集RISC一种是复杂指令集CISC其中ARM是精简指令集内核中应用最广的一种处理器。
RISC就是只保留常用的简单指令如加减乘除。因此与之对应的硬件运算电路也相应减少具有硬件结构简单的特点。对于不常用的复杂指令将通过常用的指令组合实现这使得性能有所降低。RISC的指令长度是固定的且多为单周期指令。综上RISC适用于功耗小、体积小、价格低的需求场景这就是嵌入式领域。
CISC就是保留了全部的指令因此对应的硬件运算电路也比较庞大。因为有足够多的针对性的运算电路所有性能也比较高。CISC的指令长度和周期都不固定。综上CISC适用于高性能的场景多于PC及服务器领域。
2.2 ARM指令集
大多数的ARM处理器都支持ARM指令集和Thumb指令集。
ARM指令集
ARM指令集的指令(机器码)占用32bit空间。ARM指令集的空间大、格式统一、译码简单。
使用ARM指令集时PC值每次自增4(32bit)。PC存放的是地址一个地址对应的空间为一字节因此偏移4就是32bit。
Thumb指令集
Thumb指令集的指令(机器码)占用16bit空间。Thumb指令集的代码密度高、节省空间。
使用Thumb指令集时PC值每次自增2(16bit)。
一般不使用Thumb指令集。
3、编译原理 机器码
不同的处理器对应的机器码不同比如上图所示x86执行加指令对应的机器码是0101ARM执行加指令对应的机器码是1100这种情况代表机器码在不同平台上不具有可移植性。
汇编语言
因为机器码是二进制形式所以对于人来讲识别比较困难因此出现了汇编语言。汇编语言实际上就是用一些人能看得懂的符号去表示机器码它与机器码是一一对应的关系。因此不同的处理器对应的汇编语言不同汇编语言在不同平台上不具有可移植性。
编译工具与高级语言
高级语言C语言能够实现移植性的问题这时因为编译器将C语言编译为了不同的汇编语言从而将汇编语言汇编为相应的机器码。即不同的平台不需要不同类型的C语言代码但是需要不同类型的编译器。
4、ARM存储模型
ARM存储模型指的是ARM如何存储程序和指令。
4.1 数据存储
什么是32位架构
ARM采用32位架构代表ARM处理器单次处理数据的能力。32位架构代表CPU可以一次性运算32位的数据。
数据类型
Byte -- 8位、Halfword -- 16位、Word -- 32位
C语言的char对应Byteshort对应Halfwordint对应Word。ARM并不能处理浮点型数据float、double对于这些数据ARM一种方法是用已有的运算进行组合从而实现浮点运算另一种方法是使用协处理器让其他处理器去处理浮点运算。
数据存储
数据本身是多少字节在内存存储时就应该以多少字节对齐。
Word型数据在内存的起始地址必须为4的整数倍比如起始地址0、4、8但2、6不行。
Halfword型数据在内存的起始地址必须为2的整数倍比如起始地址0、2、4但1、3不行。
这就是C语言结构体中的数据需要对齐的原因。
字节序
字节序指的是对于一个数据有多个字节时数据在内存中的排序方式字节序分为大端字节序和小端字节序。大端字节序就是低地址放高位小端字节序就是低地址放低位。
ARM一般使用的是小端字节序。
4.2 指令存储
ARM支持ARM指令集和Thumb指令集这两种指令集对应ARM状态和Thumb状态。
指令本身是多少字节在内存存储时就应该以多少字节对齐。
ARM状态
当ARM处理器处于ARM状态时所有指令在内存的起始地址必须为4的倍数这是因为ARM指令集规定一条指令为32位。
当数据为4的整数倍时转为二进制后最低两位一定为0。CPU中的PC指向要取出的指令的首地址因此PC值的最低两位也一定为0。因此PC值由[31:2]决定[1:0]未定义。
[1:0]为未定义的含义是该两位的值会被强制设置为0。因为PC值可以由开发者自行更改假如在ARM状态非法设置了PC3(正确情况应该是4的整数倍)这时3转为二进制为...0000 0011(共32位)低两位的11会被强制转为00最终CPU获取到的PC值是PC 0。
Thumb状态
当ARM处理器处于Thumb状态时所有指令在内存的起始地址必须为2的倍数这是因为Thumb指令集规定一条指令为16位。
当数据为2的整数倍时转为二进制后最低一位一定为0。CPU中的PC指向要取出的指令的首地址因此PC值的最低一位也一定为0。因此PC值由[31:1]决定[0]未定义。
[0]为未定义的含义是该位的值会被强制设置为0。具体含义与ARM状态类似。
5、ARM工作模式
ARM的工作模式
ARM有8种工作模式分别是User、FIQ、IRQ、SVC、Abort、Undef、System、Monitor。
User用户模式也叫非特权模式。当执行上层应用程序时ARM处于该种模式。User模式下的权限是最低的。FIQ快中断模式当一个高优先级的中断产生时ARM进入该模式。IRQ外部中断模式当一个低优先级的中断产生时ARM进入该模式。SVC管理模式当复位或软中断时ARM进入该模式。Abort终止模式当CPU存取数据时出现异常时(如野指针)ARM进入该模式。Undef指令未定义模式当CPU执行了不认识的指令时ARM进入该模式。System系统模式使用和User模式一样但比User的权限高。Monitor监控模式为了安全而扩展出的用于执行安全监控代码的模式
模式分类
1、特权/非特权
User为非特权模式权限最低。除User外的模式都是特权模式。
2、正常/异常
FIQ、IRQ、SVC、Abort、Undef属于异常模式User、System、Monitor属于正常模式。
异常模式就是CPU正常执行时候被打断了或者不正常执行的状态。
