指令集 ⭐⭐⭐
精简指令集 (RISC)
精简指令集 (
Reduced Instruction Set Computing) 具有简洁、精简的指令集，每条指令执行的操作都很基础，使得处理器设计更简单。
- RISC 处理器通常需要更多的指令来完成复杂的操作，但每条指令执行的时间相对较短。
- 采用固定长度的指令格式，简化了指令译码的工作，提高了流水线执行效率。
- RISC 处理器倾向于通过增加寄存器数量来加速运算，以减少内存访问的频率。
复杂指令集 (CISC)
复杂指令集 (
Complex Instruction Set Computing) 包含大量复杂的指令，每条指令可以完成更多的工作，包括访存、运算等。
CISC处理器的指令通常更多样化，能够在一条指令内完成复杂的操作，因此每次执行的指令数较少。- 具有可变长度的指令格式，使得指令译码较为复杂，执行速度可能会受到影响。
CISC处理器在设计上倾向于通过多种复杂的指令来减少内存访问次数，以提高程序的执行效率。
精简指令集和复杂指令集对比
| 指令数量 | 较多 | 较少 |
|---|---|---|
| 指令复杂度 | 简单 | 复杂 |
| 指令执行时间 | 短 | 长 |
| 指令格式 | 固定长度 | 可变长度 |
| 寄存器的作用 | 重要，减少内存访问 | 相对不太重要 |
ARM指令集类型
| 类型 | 动作 | 作用 |
|---|---|---|
数据处理指令(Data Processing Instructions) | 执行加减乘除等数学运算，以及位与（AND）、位或（OR）、位异或（XOR）等逻辑运算。 | 对寄存器中的数据进行算术运算、逻辑运算、移位操作等。 |
加载/存储指令(Load/Store Instructions) | 包括加载字（Load Word）、半字（Load Halfword）、字节（Load Byte）等不同大小的数据。 | 从内存中加载数据到寄存器或将寄存器中的数据存储到内存中。 |
分支和跳转指令(Branch and Jump Instructions) | 根据条件进行分支跳转（Conditional Branching），或无条件地改变程序计数器（Program Counter, PC）的值以实现跳转到指定地址（Unconditional Jumping）。 | 改变程序的执行流程。 |
控制指令(Control Instructions) | 切换处理器模式，如中断模式（Interrupt Mode）、用户模式（User Mode）、特权模式（Privileged Mode）等；启用和禁用中断（Interrupts）、异常（Exceptions）等。 | 控制处理器的操作模式、中断使能、异常处理和处理器状态等。 |
协处理器指令(Coprocessor Instructions) | 主要用于执行浮点运算（Floating-point Operations）、加速加密算法（Cryptographic Algorithms）等特定的计算和处理任务。 | 与附加协处理器进行交互，执行特定的协处理器操作。 |
ARM和DSP有什么区别⭐
| 特征 | ARM处理器 | DSP处理器 |
|---|---|---|
| 应用领域 | 通用处理器，用于控制和应用处理 | 专用于数字信号处理，如音频、视频、通信等 |
| 指令集 | RISC架构 | 固定点和浮点指令集 |
| 主要功能 | 通用处理器，适合通用用途的计算和控制 | 专用于数字信号处理和算法加速 |
| 算术/逻辑单元 | 用于通用计算 | 专注于信号处理的算术逻辑单元 |
| 浮点运算 | 适中支持浮点运算 | 专注且高效的支持浮点运算 |
| 适用场景 | 适合通用用途的处理器架构 | 针对信号处理和并行计算优化的架构 |
| 架构 | 通常采用冯·诺依曼架构，指令和数据共享同一存储器总线，但在存储器中是分开存储。 | 通常采用哈佛架构 |
ARM架构
定义
ARM架构是一种低功耗、高性能以及成本效益高的处理器架构 由ARM Holdings开发并广泛应用于移动设备、嵌入式系统和其他领域。
特点
- 低功耗：
ARM架构专注于低功耗设计，可延长电池寿命并减少能源消耗。它在使用功耗管理技术和优化设计方面表现出色。 - 强大的性能：尽管低功耗设计，
ARM架构仍能提供强大的性能，多核处理器的设计使其适应多线程应用。 - 灵活性：
ARM架构是可定制的，可以根据不同的需求进行配置，并且适用于各种应用，从移动设备到网络设备和汽车。 - 易于集成：
ARM架构的处理器芯片可以与其他硬件和软件组件轻松集成，使其成为系统设计的理想选择。 - 跨平台兼容性：
ARM架构具有广泛的兼容性，可以在不同的操作系统和平台上运行，例如Android、iOS、Windows等。
常见架构对比
| 芯片架构 | 特点与优势 | 应用领域 |
|---|---|---|
| ARM | - 低功耗、高性能 - 灵活可定制 - 广泛兼容性 | 移动设备、嵌入式系统、物联网设备等 |
| RISC-V | - 开放、可定制 - 逐渐获得关注 | 低功耗嵌入式、物联网设备等 |
| MIPS | - 高性能和低功耗 - 嵌入式系统领域应用广泛 | 嵌入式系统、网络设备等 |
| x86 | - 高性能 - 生态系统成熟 - 处理复杂计算任务 | PC、服务器等 |
| Power | - 强大的计算性能 - 可靠性高 | 高性能计算、服务器、超级计算机等 |
ARM处理器模式
分类⭐⭐⭐⭐⭐
| 模式 | 意义 | 类型 | 说明 |
|---|---|---|---|
用户模式（usr） | ARM处理器正常的程序执行状态 | 非特权模式 | 用于普通的应用程序执行 |
系统模式（sys） | 运行具有特权的操作系统任务 | 特权模式 | 普通模式 |
快速中断模式（FIQ） | 处理高速数据传输或通道处理 | 特权模式 | 异常模式 |
外部中断模式（IRQ） | 处理通用的中断请求 | 特权模式 | 异常模式 |
管理模式（svc） | 操作系统使用的保护模式 | 特权模式 | 异常模式 |
数据访问中止模式（abt） | 处理数据或指令预取中止的情况，用于虚拟存储及存储保护 | 特权模式 | 异常模式 |
未定义指令中止模式（und） | 处理未定义指令的情况，支持硬件协处理器的软件仿真 | 特权模式 | 异常模式 |
模式切换方式⭐⭐⭐⭐⭐
| 触发方式 | 切换流向 | 作用 |
|---|---|---|
软中断（SWI）指令 | 用户模式⇒管理模式 | 执行特权级别的任务和系统功能 |
| 外部中断 | ⇒IRQ/FIQ | 处理相应外部事件 |
| 异常 | 内存方位异常 ⇒Abort模式无效指令⇒ Undefined模式 | 处理异常 |
| 编写指令进入 | ⇒Systerm模式 | 通过SWI进入svc模式，后进入Systerm执行特定系统级任务 |
ARM架构异常处理机制⭐⭐⭐
ARM处理器的异常处理机制是一种用于处理预定义异常事件的机制。
- 在ARM架构中，有多种类型的异常，包括中断、故障和终止等。
- 异常处理机制通过提供一组特殊的处理模式和相关的寄存器来处理这些异常。
异常处理流程
- 异常模式切换：当异常事件发生时，处理器会从当前执行的模式（通常是用户模式或特权模式）切换到异常模式。常见的异常模式包括中断模式、中止模式、供货模式等。
- 异常发生和保存上下文：在异常模式下，处理器会保存当前的程序状态寄存器（PSR）和一些关键的寄存器，以备将来恢复执行。这样可以确保在处理异常时不会丢失重要的执行状态。
- 异常处理：处理器根据异常类型和相应的异常向量表，定位到相应的异常处理程序的入口点。异常处理程序可以是操作系统内核、中断服务例程或其他定义的处理代码。处理程序执行与异常相关的操作，如中断服务例程处理中断请求、故障处理程序处理异常条件等。
ARM寄存器
| 寄存器标识 | 名称 | 具体作用 |
|---|---|---|
R0~R12 | 通用寄存器（包含R0~R15) | 存储数据和地址 |
R13 (SP) | 堆栈指针寄存器 | 用作堆栈指针，存储当前堆栈顶部的地址。在函数调用时用于存储局部变量和参数（压栈和出栈） |
R14 (LR) | 链接寄存器 | 存储调用子程序时的返回地址，用于在子程序执行完毕后返回到调用函数的下一条指令。 |
R15 (PC) | 程序计数器寄存器 | 存储下一条要执行的指令的地址，指示当前执行的指令位置。 |
CPSR | 程序状态寄存器 | 存储当前处理器的状态信息，如当前模式、条件标志位、中断使能位等。用于程序状态的管理和控制。 |
SPSR | 保存上一个模式下的程序状态寄存器的值，用于在异常处理或者中断处理时保存先前的程序状态寄存器信息。 | |
Control Registers | 控制寄存器 | 用于处理器的控制和配置，包括处理器模式切换、中断控制等。 |
IMRIRR | 中断相关寄存器 | 用于管理和控制中断，包括中断屏蔽寄存器 (Interrupt Mask Register)、中断优先级寄存器 (Interrupt Priority Register)等。 |
| 浮点寄存器 | 用于浮点运算的特殊寄存器，存储浮点运算所需的数据和控制信息。 | |
VBAR | 向量表基址寄存器 | 存储中断向量表的地址，用于指示中断处理程序的入口地址。 |
ARM汇编
定义
以机器可读的指令形式直接操作计算机硬件，包括处理器寄存器、内存和输入输出端口等。
- ARM汇编语言的语法和指令集架构与具体的ARM处理器型号和指令集版本有关，但总体上它们都与ARM处理器的指令集架构密切相关。
举例说明如何使用ARM汇编指令进行数据传输⭐⭐⭐
首先定义了一个数据段（.data），并在其中定义了两个32位的整型数据value1和value2。然后定义了一个代码段（.text），并指定入口点标签_start。在_start标签下，我们使用了LDR和STR指令来进行数据传输操作。
- LDR指令用于加载寄存器中的值，=value1表示将value1的地址加载到寄存器R0，=value2表示将value2的地址加载到寄存器R1。
- LDR指令还可以用于从内存中加载数据到寄存器，[R0]表示从R0寄存器所指向的地址处加载数据到R2寄存器。
- STR指令用于将寄存器中的值存储到内存，[R1]表示将R2寄存器中的数据存储到R1寄存器所指向的地址处。
.section .data @ 定义数据段
value1: .word 100 @ 定义一个32位的整型数据，并初始化为100
value2: .word 0 @ 定义另一个32位的整型数据，初始化为0
.section .text @ 定义代码段
.global _start @ 定义入口点标签
_start:
LDR R0, =value1 @ 将value1的地址加载到寄存器R0
LDR R1, =value2 @ 将value2的地址加载到寄存器R1
LDR R2, [R0] @ 从内存地址R0处加载数据到R2
STR R2, [R1] @ 将R2中的数据存储到内存地址R1处
MOV R7, #1 @ 设置系统调用号为1，表示退出程序
SWI 0 @ 触发系统调用