ARM处理器2种工作状态及ARM处理器RISC设计主要特点

一、ARM处理器2种工作状态  

ARM处理器读取/储存 架构不支援地址不对齐内存存取(ARMv6内核现已支援)正交指令集(任意存取指令可以任意的寻址方式存取数据Orthogonal instruction set)大量的16 × 32-bit 寄存器阵列(register file)固定的32 bits 操作码(opcode)长度，降低编码数量所产生的耗费，减轻解码和流水线化的负担。大多均为一个CPU周期执行。ARM微处理器的在较新的体系结构中支持两种指令集：ARM指令集和Thumb指令集。其中，ARM指令为32位的长度，Thumb指令为16位长度。Thumb指令集为ARM指令集的功能子集，但与等价的ARM代码相比较，可节省30%～40%以上的存储空间，同时具备32位代码的所有优点。  

CPU的模式可以简单的理解为当前CPU的工作状态，比如：当前操作系统正在执行用户程序，那么当前CPU工作在用户模式，这时网卡上有数据到达，产生中断信号，CPU自动切换到一般中断模式下处理网卡数据(普通应用程序没有权限直接访问硬件)，处理完网卡数据，返回到用户模式下继续执行用户程序。  

1、特权模式  

除用户模式外，其它模式均为特权模式(Privileged Modes)。ARM 内部寄存器 和一些 片内外设 在硬件设计上只允许(或者可选为只允许)特权模式下访问。此外，特权模式可以自由的切换处理器模式，而用户模式不能直接切换到别的模式。  

2、异常模式  

特权模式中除系统(system)模式之外的其他5种模式又统称为异常模式。它们除了可以通过在特权下的程序切换进入外，也可以由特定的异常进入。比如硬件产生中断信号进入中断异常模式，读取没有权限数据进入中止异常模式，执行未定义指令时进入未定义指令中止异常模式。其中管理模式也称为超级用户模式，是为操作系统提供软中断的特有模式，正是由于有了软中断，用户程序才可以通过系统调用切换到管理模式。

二、ARM处理器RISC设计主要特点  

1、指令集——RISC减少了指令集的种类，通常一个周期一条指令，采用固定长度的指令格式，编译器或程序员通过几条指令完成一个复杂的操作。而CISC指令集的指令长度通常不固定。  

2、流水线——RISC采用单周期指令，且指令长度固定，便于流水线操作执行。  

3、寄存器——RISC的处理器拥有更多的通用寄存器，寄存器操作较多。例如ARM处理器具有37个寄存器。  

4、Load/Store结构——使用加载/存储指令批量从内存中读写数据，提高数据的传输效率。  

5、寻址方式简化，指令长度固定，指令格式和寻址方式种类减少。  

ARM处理器是基于RISC的，但不是纯粹的RISC体系结构。为了使ARM处理器能够更好的满足嵌入式系统的需要，ARM指令集和单纯的RISC指令集有以下几点不同：  

1、一些特定的指令周期数可变。例如多寄存器装载或存储的Load/Store指令执行周期就是不确定的，这个会根据相关的寄存器个数而定。如果是访问连续的内存地址，就可以改善性能，因为连续的内存访问比随机访问要快。根据这个特点，由于在函数的起始和结尾通常会有多个寄存器与内存进行数据交换的操作，因此相应操作的指令条数会减少，提高了代码的密度。  

2、内嵌的桶形移位寄存器产生了更复杂的指令。桶形移位寄存器是一个硬件部件，在一个寄存器被一条指令使用之前，桶形移位寄存器可以处理这个寄存器中的数据。桶形移位寄存器扩展了许多指令的功能，以此改善内核的性能，提高代码密度。  

3、Thumb16位指令集。ARM处理器有两种工作状态，一种是ARM状态，一种是Thumb状态。ARM状态下指令长度为32位，Thumb状态下指令长度为16位。这种特点使得ARM既能执行16位指令，又能执行32位指令，从而增强了ARM内核的功能。  

4、条件执行。只有当某个特定条件满足时指令才会被执行。这个特性可以减少分支指令的数目，从而改善性能，提高代码密度。

5、增强指令。一些功能强大的数字信号处理器(DSP)指令被加入到标准的ARM指令中，以支持快速的16*16乘法操作及饱和运算。ARM的这些增强指令，使得ARM处理器不需要加上DSP即可实现。

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