1-ARM体系结构和汇编指令

最新推荐文章于 2024-10-27 10:38:50 发布

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分类专栏： ARM裸机—基于S5PV210处理器

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/yb_ccdd/article/details/107291265

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一、可编程器件的编程原理

1.1、电子器件的发展方向

模拟器件——>数字器件
ASIC（专用芯片，一个芯片只能完成一个任务）——>可编程器件

1.2 、可编程器件的特点

CPU在固定频率的时钟控制下有节奏运行；
CPU可以通过总线读取外部存储设备中的二进制指令集，然后解码执行；
这些可以被CPU解码执行的二进制指令集是CPU设计的时候确定的，是CPU的设计者（ARM公司）定义的，本质上是一串由1和0组成的数字。这就是CPU的汇编指令集。

1.3 、整个编程及运行过程

程序员用汇编指令编程——>经汇编器会变成二进制可执行程序文件——>二进制文件被CPU读取进去——>CPU内部电路对二进制文件解码（即对命令进行解析）——>解码通过则CPU执行指令、完成指令动作。
如果程序员用C语言等高级语言编程，则编译器先将C语言程序编译为汇编程序，再进行上面的后续部分。
在Linux中，Elf格式的文件是可执行文件；而在windows中后缀为.exe的文件是可执行文件。## 1.4 、从源代码到CPU执行过程在这里插入图片描述
在Linux中，Elf格式的文件是可执行文件；而在windows中后缀为.exe的文件是可执行文件。

二、指令集对CPU的意义

2.1、汇编语言与C等高级语言的差异

汇编难写，C好写；
汇编无可移植性，C语言有一定可移植性，Java等更高级语言移植性更强；
汇编语言效率最高，C语言次之，Java等更高级语言效率更低；
汇编不适合完成大型复杂的项目，更高级语言更适合完成更大、更复杂的项目；
注意：语言没有好坏之分，只有合适与不合适之分。要注意区分哪种情况用什么语言，就需要了解语言的特性。

2.2 、汇编语言的本质

汇编的本质是机器指令（机器码）的助记符，是一种低级符号语言。
机器指令集是一款CPU的编程特征，是这款CPU的设计者指定的。CPU的内部电路设计就是为了实现这些指令集的功能。机器指令集就好像CPU的API接口一样。
指令的实现体现在硬件上就是电路，通过设计一系列的电路从而实现这个指令的功能；

2.3 、编程语言的发展过程

纯机器码编程；
汇编语言编程；
C语言编程；
C++语言编程；
Java C#等语言编程；
脚本语言编程；

2.4 、总结

汇编语言就是CPU的机器指令集的助记符，是一款CPU的本质特征；
不同CPU的机器指令集设计不同，因此汇编程序不能在不同CPU间互相移植；
使用汇编编程可以充分发挥CPU的设计特点，所以汇编编程效率最高，因此在操作系统内核中效率极其重要处都需要用汇编处理；

三、RISC和CISC的区别

3.1、CISC

complex instruction -set computer 复杂指令集CPU
CISC体系的设计理念是用最少的指令来完成任务（譬如计算乘法只需要一条MUL指令即可），因此CISC的CPU本身设计复杂、工艺复杂，但好处是编译器好设计。CISC出现较早，至今Intel还一直采用CISC设计。

3.2、RISC

Reduced Instruction-Set Computer 精简指令集CPU
RISC的设计理念是让软件来完成具体的任务，CPU本身仅提供基本功能指令集。因此RISC CPU的指令集只有很少的指令，这种设计相对于CISC ，CPU的设计和工艺简单了，但是编译器的设计变难了。

3.3、CPU设计方式发展

早期简单CPU，指令和功能都很有限；
CISC年代——CPU功能扩展依赖于指令集的扩展，实质是CPU内部组合逻辑电路的扩展；
RISC年代——CPU仅提供基础功能指令（譬如内存于寄存器通信指令，基本运算与判断指令等），功能扩展由使用CPU的人利用基础架构来灵活实现。

3.4、 RISC 与 CISC 指令数对比

一般典型CISC CPU指令在300条左右；
ARM CPU常用指令30条左右；

3.5 、发展趋势

没有纯粹的RISC 或 CISC，发展方向是RISC与CISC结合，形成一种介于2者之间的CPU类型。

四、统一编址&独立编址&哈佛结构&冯诺依曼结构

4.1 、什么是IO？什么是内存？

CPU的运行速度很快，而硬盘的读取速度很慢，如果直接从硬盘读取数据交给CPU处理，就会大大降低效率，所以想了一个办法就是在CPU中增加了一二三级缓存，这个缓存的读取速度就大大提高了，但是成本很高，所以空间很小。于是，就出现了内存，内存的读取速度介于缓存和硬盘之间，价格也合适，空间也介于缓存和硬盘之间。所以内存就成了用来存放运行程序的场所。
内存是程序的运行场所，内存和CPU之间通过总线连接，CPU通过一定的地址来访问具体内存单元；
IO（input and output）是输入输出接口，是CPU和其它外部设备（如串口、LCD、触摸屏、LED等）之间通信的道路。一般的，IO就是指CPU的各种内部或外部外设（的寄存器）。

4.2 、内存的访问方式

内存通过CPU的地址总线来寻址定位，然后通过CPU数据总线来读写。
CPU的地址总线的位数是CPU设计时确定的，因此一款CPU所能寻址的范围是一定的，而内存是需要占用CPU的寻址空间的。
内存与CPU的这种总线式连接方式是一种直接连接，优点是效率高访问快，缺点是资源有限，扩展性差。

4.3、IO的访问方式

IO指的是与CPU连接的各种外设。
CPU访问各种外设有2种方式：一种是类似于访问内存的方式，即把外设的寄存器当作一个内存地址来读写，从而以访问内存相同的方式来操作外设，叫IO与内存统一编址方式（RISC思想）；另一种是使用专用的CPU指令来访问某种特定外设，叫IO与内存独立编址（这是CISC的思想）。

4.4 、对比

由于内存访问频率高，因此采用总线式连接，直接地址访问，效率最高。
IO与内存统一编址方式，优势是IO当作内存来访问，编程简单；缺点是IO也需要占用一定的CPU地址空间，而CPU的地址空间是有限资源。
IO与内存独立编址方式，优势是不占用CPU地址空间，缺点是CPU设计变复杂了。

4.5 、程序和数据

程序运行时两大核心元素：程序 + 数据
程序是我们写好的源代码经过编译、汇编之后得到的机器码，这些机器码可以拿给CPU去解码执行，CPU不会也不应该去修改程序，所以程序是只读的。
数据是程序运行过程中定义和产生的变量的值，数据是可以读写的，程序运行实际就是为了改变数据的值。

4.6 、冯诺依曼结构和哈佛结构

程序与数据都放在内存中，且不彼此分离的结构称为冯诺依曼结构。譬如Intel的CPU均采用冯诺依曼结构。
程序和数据分开独立放在不同的内存块中，彼此完全分离的结构称为哈佛结构。譬如大部分的单片机（MCS51、ARM9等）和嵌入式均采用哈佛结构。

4.7 、优劣对比

冯诺依曼结构中程序和数据不区分的放在一起，因此安全和稳定性是个问题，好处是处理起来简单。
哈佛结构中程序（一般放在ROM-Read Only Memory、flash中）和数据（一般放在RAM中）独立分开存放，因此好处是安全和稳定性高，缺点是软件处理复杂一些（需要统一规划链接地址等）。

五、软件编程控制硬件的关键——寄存器

5.1、什么是寄存器

寄存器属于CPU外设的硬件组成部分；
CPU可以像访问内存一样访问寄存器；（IO与内存统一编址）
寄存器是CPU的硬件设计者制定的，目的是留作外设被编程控制的“活动开关”；
正如汇编指令集是CPU的编程接口API一样，寄存器是外设硬件的软件编程接口API 。使用软件编程控制某一硬件，其实就是编程读写该硬件的寄存器。

5.2、寄存器的演示

请看S5PV210 datasheet；
编程操作寄存器类似于访问内存；
寄存器中每个bit位都有特定含义，因此编程操作时需要位操作；
单个寄存器的位宽一般和CPU的位宽一样，以实现最佳访问效率；

5.3 、两类寄存器

SoC中有2类寄存器：通用寄存器和SFR
通用寄存器（ARM中有37个）是CPU的组成部分，CPU的很多活动都需要通用寄存器的支持和参与；
SFR（special function register,特殊功能寄存器）不在CPU中，而存在于CPU的外设中，我们通过访问外设的SFR来编程操控这个外设，这就似乎硬件编程控制的方法。