【嵌入式ARM指令系统】CISC与RISC

目录

一、CISC—复杂指令集计算机

二、RISC—精简指令集计算机

三、ARM 指令结构

冯诺依曼体系与哈佛体系

ARM处理器模式

ARM寄存器

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一、CISC—复杂指令集计算机

自从第一台计算机在50年代问世，计算机汇编指令系统经历了几个阶段：

 

• 50年代的计算机汇编指令系统主要是以定点数为主的简单的加/减和逻辑运算指令，指令数目在10到90条。

 

• 60年代的计算机汇编指令系统发展到以浮点数为主的加/减，乘除指令，体现在计算机的多种寻址方式，指令数目在100到200条。

 

• 到70年代，伴随计算机硬件和集成电路的发展，计算机汇编指令系统更为复杂，发展成为了公认的复杂指令集计算机（COMPLEX INSTRUCTION SET COMPUTER-CISC），其最显著的特点是指令繁多，指令长度不固定，长短不一，指令格式多样化，存储器寻址方式多样化。

 

INTEL公司的PENTINUM就是最典型的复杂指令集计算机（CISC），由于计算机硬件的复杂性和指令系统的复杂性的增加，CPU的面积变得大，其功耗也变高，PENTINUM的处理器上装有小风扇就是出于此原因。

 

解释一下：定点数是什么？与浮点数的区别是什么?

在计算机系统的发展过程中，曾经提出过多种方法表达实数。定点数（Fixed Point Number），一种典型的实数表达形式，小数点固定地位于实数所有位数中间的某个位置。

货币的表达就可以使用这种方式，比如 99.00 或者 00.99 可以用于表达具有四位精度（Precision），小数点后有两位的货币值。由于小数点位置固定，所以可以直接用四位数值来表达相应的数值。

定点数表达法的缺点在于其形式过于僵硬，固定的小数点位置决定了固定位数的整数部分和小数部分，不利于同时表达特别大的数或特别小的数。

 

最终，绝大多数现代的计算机系统采纳了所谓的浮点数表达方式。这种表达方式利用科学计数法来表达实数，即用一个尾数（Mantissa ），一个基数（Base），一个指数（Exponent）以及一个表示正负的符号来表达实数。

比如 123.45 用十进制科学计数法可以表达为 1.2345 × 102 ，其中 1.2345 为尾数，10 为基数，2 为指数。浮点数利用指数达到了浮动小数点的效果，从而可以灵活地表达更大范围的实数。

 

 

二、RISC—精简指令集计算机

到了80年代，由于计算机指令系统太复杂，在美国加州大学BERKELEY分校有人提出了精简指令系统计算机（REDUCED INSTRUCTION SET COMPUTER-RISC）的概念，主要思想是选用最常用的指令，指令长度固定，避免繁多的指令格式，存储器寻址方式只有规范的LOAD/STORE方式。

由于指令系统的精简化，基于RISC的CPU面积变小，其功耗也降低。嵌入式设备和手持设备大多采用基于RISC的CPU，小易携带而且功耗低。ARM和MIPS是最典型的基于RISC的处理器。

 

下表1-1是计算机指令系统 CISC 和 RISC 的性能指标比较。

三、ARM 指令结构

• 冯诺依曼体系与哈佛体系

ARM7为冯诺依曼（VON NEUMANNH）体系结构，其主要特点是低功耗，3级流水线作业，每秒种可处理0.9百万条指令，高密度32位ARM指令集兼容16位的THUMB指令集。可应用于有低价位，低功耗要求的工业控制，手机等设备。

ARM9为哈佛（HARVARD）体系结构，其主要特点是低功耗，5级流水线作业，每秒种可处理1.1百万条指令，高密度32位ARM指令集兼容16位的THUMB指令集，存储管理单元（MMU），指令高速缓冲（INSTRUCTION CACHE）和数据高速缓冲（DATA CACHE）。另外，ARM9E还具有DSP和JAVA的功能，可应用于数码相机，数码摄像机和无线设备。ARM9为哈佛体系结构，可并行处理，每秒种处理的指令比ARM7多了20万条。

 

下图是两种体系结构下CPU读取数据的时序图，可以很明显的看出ARM9的优势。

冯诺依曼和哈佛体系结构下读取数据时序比较图

 

• ARM处理器模式

ARM处理器有6种工作模式，分别是：

1. User（无优先级的模式，大部分认为在此模式下运行）
2. FIQ（当高级别的快速中断申请后进入）
3. IRQ（当普通的中断申请后进入）
4. Supervisor（复位后并且软中断指令执行后进入）
5. Abort（用于处理内存访问冲突）
6. Undef（用于处理未定义的指令）

 

• ARM寄存器

ARM有37个寄存器，均为32位长，其中一个PC，一个程序状态寄存器（CPSR），5个可存的程序状态寄存器（SPSR），30个通用寄存器。

程序状态寄存器（CPSR，SPSR），如下图。

图1 ARM程序状态寄存器结构

 

每种模式下寄存器的分布情况如下图所示，其中通用寄存器R13为堆栈指针寄存器（SP），R14为链接寄存器，R15为PC（Program Counter）寄存器。

ARM 寄存器分布

 

当带链接操作的分支指令执行完操作后，链接寄存器（LR）的作用是存放返回地址。例如：

        BL Label;   //LR=PC+4,记住返回地址(带链接的分支指令)

        ...

Label:  ADDS R0,R1,R2;
        MOV PC,LR;  //将LR中的返回地址存入PC