【ARM】（一）计算机基础与ARM处理器概述-优快云博客

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计算机基础与RAM处理器概论

计算机基础与RAM处理器概述

计算机基础与RAM处理器概述

计算机基础

1. 计算机组成原理

运算器： CPU中负责进行算数运算和逻辑运算的部件，其核心是算术逻辑单元ALU
存储器： 存储器是用来存储程序和数据的部件,是实现"存储程序控制"的基础，如内存、硬盘等。
控制器： 控制器是CPU的指挥中心,其控制着整个CPU执行程序的逻辑过程
输入设备： 把其他信号转换成计算机能识别和处理的信号并送入计算机中，如键盘、鼠标、摄像头。
输出设备： 把运算结果以人或其他设备所能接受的形式送出计算机外，如显示屏、音响。

2. 总线

总线： 总线是计算机中各个部件之间传送信息的公共通信干线, 在物理上就是一束导线按照其传递信息的类型可以分为数据总线、地址总线、控制总线
DMA总线： DMA(Direct Memory Access)即直接存储器访问，使用DMA总线可以不通过CPU直接在存储器之间进行数据传递

3. 多级存储

Cache（高速缓存）

速度最快、价格最贵、容量最小、断电数据丢失、cpu可直接访问
存储当前正在执行的程序中的活跃部分,以便快速地向CPU提供指令和数据

主存储器（内存）

速度、价格、容量介于Cache与辅存之间、断电数据丢失、cpu可直接访问
存储当前正在执行的程序和数据

辅助存储器（硬盘）

速度最慢、价格最低、容量最大、断电数据不丢失、cpu不可直接访问
存储暂时不运行的程序和数据，需要时再传送到主存

4. 地址空间

一个处理器能够访问（读写）的存储空间是有限的,我们称这个空间为它的地址空间（寻址空间）,一般来说N位地址总线的处理器的地址空间是： $2^N$

5. CPU执行指令的过程

CPU先通过指令计数器PC向内存写入要读取数据的地址，内存根据地址找到数据并返回给CPU，CPU通过指令寄存器IR接收到数据，将数据通过指令译码器翻译成可执行指令发送给运算器执行，运算结果储存在寄存器中，CPU指令计数器自增重复执行步骤。

一条指令的执行分为三个阶段

取址：CPU将PC寄存器中的地址发送给内存，内存将其地址中对应的指令返回到CPU中的指令寄存器（IR）
译码：译码器对IR中的指令进行识别，将指令（机器码）解析成具体的运算
执行：控制器控制运算器中对应的运算单元进行运算，运算结果写入寄存器

每执行一条指令后PC的值会自动增加指向下一条指令

ARM概述

RISC处理器

RISC处理器：只保留常用的的简单指令，硬件结构简单，复杂操作一般通过简单指令的组合实现，一般指令长度固定，且多为单周期指令，RISC处理器在功耗、体积、价格等方面有很大优势，所以在嵌入式移动终端领域应用极为广泛
CISC处理器： 不仅包含了常用指令，还包含了很多不常用的特殊指令，硬件结构复杂，指令条数较多，一般指令长度和周期都不固定，CISC处理器在性能上有很大优势，多用于PC及服务器等领域

1. 指令集

指令

能够指示处理器执行某种运算的命令称为指令（如加、减、乘 …）
指令在内存中以机器码（二进制）的方式存在
每一条指令都对应一条汇编
程序是指令的有序集合

指令集

处理器能识别的指令的集合称为指令集
不同架构的处理器指令集不同
指令集是处理器对开发者提供的接口

2. ARM指令集

ARM指令集

所有指令（机器码）都占用32bit存储空间
代码灵活度高、简化了解码复杂度
执行ARM指令集时PC值每次自增4

Thumb指令集

所有指令（机器码）都占用16bit存储空间
代码密度高、节省存储空间
执行Thumb指令集时PC值每次自增2

3. 编译原理

主要步骤： 编译、汇编、链接、重定位

.c file 函数位置、变量名即逻辑地址。
.s file 汇编语言中更加贴近机器语言，但是依然用符号代表变量名字。
.o file 机器语言中，起始地址都是从0开始的，把变量名转换为地址。
linker把多个.o file变成一个单一的.exe file
机器码（二进制）是处理器能直接识别的语言，不同的机器码代表不同的运算指令，不同的处理器机器码不同，所以机器码不可移植
汇编语言是机器码的符号化，即汇编就是用一个符号来代替一条机器码（汇编与机器码一一对应），所以不同的处理器汇编也不一样，即汇编语言也不可移植
C语言在编译时我们可以使用不同的编译器将C源码编译成不同架构处理器的汇编

4. ARM存储模型

ARM数据类型： ARM采用32位架构，表示单次处理数据的能力，基本数据类型有以下三种：

数据类型大小
Byte 8bits
Halfword 16bits
Word 32bits
数据存储
- Word型数据在内存的起始地址必须是4的整数倍
- Halfword型数据在内存的起始地址必须是2的整数倍
- 即数据本身是多少位在内存存储时就应该多少位对齐
字节序
- 大端对齐： 低地址存放高位，高地址存放低位
- 小端对齐： 低地址存放低位，高地址存放高位
- ARM一般使用小端对齐
- 字节序只限于对于一个多字节的数据，每个字节在内存中的存储方式，int a = 0x12345678
ARM指令存储
- 处理器处于ARM状态：所有指令在内存的起始地址必须是4的整数倍（最低2位一定是0）
- PC值由其[31:2]决定，[1:0]位未定义（防止写入错误，最后2位强制转为0，例：若写入7，实际为4）
- 处理器处于Thumb状态时：所有指令在内存的起始地址必须是2的整数倍，PC值由其[31:1]决定，[0]位未定义