微处理器结构

2．2　ARM微处理器结构

2．2．1　RISC体系结构

传统的CISC（Complex Instruction Set Computer，复杂指令集计算机）结构有其固有的缺点，即随着计算机技术的发展而不断引入新的复杂的指令集，为支持这些新增的指令，计算机的体系结构会越来越复杂，然而，在CISC指令集的各种指令中，其使用频率却相差悬殊，大约有20%的指令会被反复使用，占整个程序代码的80%．而余下的80%的指令却不经常使用，在程序设计中只占20%，显然，这种结构是不太合理的．

基于以上的不合理性，1979年美国加州大学伯克利分校提出了RISC（Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机）的概念，RISC并非只是简单地减少指令，而是把着眼点放在了如何使计算机的结构更加简单合理并提高运算速度上．RISC结构优先选取使用频率最高的简单指令，避免复杂指令；将指令长度固定，指令格式和寻址方式种类减少；以控制逻辑为主，不用或少用微码控制等措施来达到上述目的．

到目前为止，RISC体系结构也还没有严格的定义，一般认为，RISC体系结构应具有如下特点：

（1）采用固定长度的指令格式，指令归整、简单、基本寻址方式有2～3种．

（2）使用单周期指令，便于流水线操作执行．

（3）大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作，只有加载／存储指令可以访问存储器，以提高指令的执行效率．

除此以外，ARM体系结构还采用了一些特别的技术，在保证高性能的前提下尽量缩小芯片的面积，并降低功耗：

（4）所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行，从而提高指令的执行效率．

（5）可用加载／存储指令批量传输数据，以提高数据的传输效率．

（6）可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理．

（7）在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率．

当然，和CISC架构相比较，尽管RISC架构有上述的优点，但决不能认为RISC架构就可以取代CISC架构，事实上，RISC和CISC各有优势，而且界限并不那么明显．现代的CPU往往采用CISC的外围，内部加入了RISC的特性，如超长指令集CPU就是融合了RISC和CISC的优势，成为未来的CPU发展方向之一．

2．2．2　ARM微处理器的寄存器结构

ARM处理器共有37个寄存器，被分为若干个组（BANK），这些寄存器包括：

（1）31个通用寄存器，包括程序计数器（PC指针），均为32位的寄存器．

（2）6个状态寄存器，用以标识CPU的工作状态及程序的运行状态，均为32位，目前只使用了其中的一部分．

同时，ARM处理器又有7种不同的处理器模式，如下表2－5在每一种处理器模式下均有一组相应的寄存器与之对应．即在任意一种处理器模式下，可访问的寄存器包括15个通用寄存器（R0～R14）、一至二个状态寄存器和程序计数器．在所有的寄存器中，有些是在7种处理器模式下共用的同一个物理寄存器，而有些寄存器则是在不同的处理器模式下有不同的物理寄存器．

表2－5　ARM处理器的7种处理器模式

除了用户模式之外其他的6种处理器模式称为特权模式．在这些模式下，程序可以访问所有的系统资源，也可以任意地进行处理器模式的切换，其中除了系统模式外，其他5种特权模式又称为异常模式．处理器模式可以通过软件控制来进行切换，也可以通过外部中断或异常处理过程进行切换．大多数的用户程序可以运行在用户模式下，这时，应用程序不能够访问一些受应用程序保护的系统资源．应用程序不能直接进行处理器模式的切换．当需要处理器的模式切换时，应用程序可以产生异常处理，在异常处理过程中进行处理器模式的切换，这种体系结构可以使整个操作系统控制整个系统的资源．当应用程序发生异常中断时，处理器进入相应的异常模式，在每一种异常模式中都有一组寄存器，供相应的异常处理程序使用，这样就保证在进入异常模式的时候，用户模式下的寄存器（保存了程序的运行状态）不被破坏．

2．2．3　ARM微处理器的指令结构

ARM微处理器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．

关于ARM处理器的指令结构，将会在后面的相关章节中详细描述．