CPU工作原理

CPU与内存中的内容：

内存中存放了指令，每一个指令存放的地址不一样，所需的内存空间也不一样。

运算器能够进行算数运算和逻辑运算，这些运算在CPU中都是以运算电路的形式存在，一个运算功能对应一种运算电路。程序中有哪种运算，CPU的运算器中就要有相应的运算电路与之对应。

控制器负责代码运行的过程，有指令计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器。

• PC中存放的是想要执行的指令的地址
• IR中存放从内存中读取到的指令
• 指令译码器负责将指令翻译为对应的操作并发给运算器。

CPU如何执行程序：

CPU是串行工作方式，即同一时刻只能进行一种运算。执行过程有取指、译码、执行这三步。

• 取指

取指就是CPU从内存中取出所需要执行的指令。

CPU将PC中存放的地址数据通过地址总线告诉内存，即：告诉内存，我想要执行哪里的指令。内存接收到PC的地址数据后，定位到指定的地址，并将地址的数据通过数据总线发给CPU，这个数据将存放在CPU的指令寄存器IR中。

• 译码

译码就是将IR中的数据翻译为具体的运算含义。 

CPU将IR中的数据发送给指令译码器，通过译码之后CPU获取到该指令的具体含义。

• 执行

执行就是将翻译的指令进行真正的运算，得出相应的结果。 

译码器翻译之后，将会把这个译码后的内容给指定的运算电路。比如译码出来是乘法运算，那么数据就会发给乘法运算电路，而不是发给加法运算电路。运算电路运算之后将会把结果放在一个寄存器中。

执行之后，PC的值自动偏移指令所需空间的大小值，以便于下一条指令的执行。

ARM概述

1、ARM产品

ARM、CPU、SOC的关系：

ARM内核不是完整的CPU，而是CPU芯片中的核心部分，它需要与其他组件（如缓存、输入/输出接口等）一起集成到一个芯片上，才能构成一个完整的CPU。

SOC就是系统级芯片，也叫片上系统，它指的是将CPU和该产品所需的外设集成在一个芯片中的技术。

ARM系列产品有哪些：

ARM产品的命名发展为：ARM7->ARM9->ARM11->ARM-Cortex。其中Cortex分为A、R、M，不同的类型应用场景也不同。

• ARM-Cortex A系列：针对开放式操作系统的高性能处理器，应用于智能手机、数字电视、智能本等高端运用
• ARM-Cortex R系列：针对实时系统、满足实时性的控制需求，应于汽车制动系统、动力系统等
• ARM-Cortex M系列：为单片机驱动的系统提供了低成本优化方案，应用于传统的微控制器市场、智能传感器、汽车周边等

2、ARM指令集

2.1 指令集相关概念 

什么是指令：

指令就是CPU能够认识的代码，一个CPU能够执行哪些指令，这与CPU的硬件设计相关。指令与CPU的运算器中的运算电路要一一对应，只有这样CPU在译码指令之后才能真正将指令发给运算器去执行。

指令在内存中是以机器码（二进制）的方式存在的，每一条指令都对应一条汇编语言。注意：高级语言C语言与指令并不是一一对应的关系，比如CPU在只有加法但没有乘法的运算电路时，要执行3*3，C语言中可以直接写入3*3，这时编译器会将3*3编译为3+3+3这就对应3条汇编语句，也就是对应3条指令，即：CPU会执行3遍加运算来实现C语言中的3*3语句。

程序就是指令的有序集合。

什么是指令集：

指令集就是处理器能够识别的指令的集合，是处理器对开发者提供的接口，即：作为开发者，并不关心CPU中加法电路是如何实现的，只关心哪一条汇编对应加法运算，调用该汇编即可控制加法电路进行工作。

不同架构的处理器指令集也不同，因为每个CPU的运算器中的运算电路可以不同，这就导致CPU能够识别的指令不同，从而指令集不同。

什么是精简指令集RISC：

ARM属于精简指令集处理器。处理器的内核分为两类，一种是精简指令集RISC，一种是复杂指令集CISC，其中ARM是精简指令集内核中应用最广的一种处理器。

RISC就是只保留常用的简单指令，如加减乘除。因此与之对应的硬件运算电路也相应减少，具有硬件结构简单的特点。对于不常用的复杂指令，将通过常用的指令组合实现，这使得性能有所降低。RISC的指令长度是固定的，且多为单周期指令。综上：RISC适用于功耗小、体积小、价格低的需求场景，这就是嵌入式领域。

CISC就是保留了全部的指令，因此对应的硬件运算电路也比较庞大。因为有足够多的针对性的运算电路，所有性能也比较高。CISC的指令长度和周期都不固定。综上：CISC适用于高性能的场景，多于PC及服务器领域。

2.2 ARM指令集

大多数的ARM处理器都支持ARM指令集和Thumb指令集。

ARM指令集：

ARM指令集的指令(机器码)占用32bit空间。ARM指令集的空间大、格式统一、译码简单。

使用ARM指令集时，PC值每次自增4(32bit)。PC存放的是地址，一个地址对应的空间为一字节，因此偏移4，就是32bit。

Thumb指令集：

Thumb指令集的指令(机器码)占用16bit空间。Thumb指令集的代码密度高、节省空间。

使用Thumb指令集时，PC值每次自增2(16bit)。

一般不使用Thumb指令集。

3、编译原理

机器码： 

不同的处理器对应的机器码不同，比如上图所示，x86执行加指令对应的机器码是0101，ARM执行加指令对应的机器码是1100，这种情况代表机器码在不同平台上不具有可移植性。

汇编语言：

因为机器码是二进制形式，所以对于人来讲识别比较困难，因此出现了汇编语言。汇编语言实际上就是用一些人能看得懂的符号去表示机器码，它与机器码是一一对应的关系。因此不同的处理器对应的汇编语言不同，汇编语言在不同平台上不具有可移植性。

编译工具与高级语言：

高级语言C语言能够实现移植性的问题，这时因为编译器将C语言编译为了不同的汇编语言，从而将汇编语言汇编为相应的机器码。即：不同的平台不需要不同类型的C语言代码，但是需要不同类型的编译器。

4、ARM存储模型

ARM存储模型指的是ARM如何存储程序和指令。

4.1 数据存储

什么是32位架构：

ARM采用32位架构，代表ARM处理器单次处理数据的能力。32位架构代表CPU可以一次性运算32位的数据。

数据类型：

Byte -- 8位、Halfword -- 16位、Word -- 32位

C语言的char对应Byte，short对应Halfword，int对应Word。ARM并不能处理浮点型数据float、double，对于这些数据ARM一种方法是用已有的运算进行组合，从而实现浮点运算；另一种方法是使用协处理器，让其他处理器去处理浮点运算。

数据存储：

数据本身是多少字节，在内存存储时就应该以多少字节对齐。 

Word型数据在内存的起始地址必须为4的整数倍，比如起始地址0、4、8，但2、6不行。

Halfword型数据在内存的起始地址必须为2的整数倍，比如起始地址0、2、4，但1、3不行。

这就是C语言结构体中的数据需要对齐的原因。

字节序：

字节序指的是对于一个数据有多个字节时，数据在内存中的排序方式，字节序分为大端字节序和小端字节序。大端字节序就是低地址放高位，小端字节序就是低地址放低位。

ARM一般使用的是小端字节序。

4.2 指令存储

ARM支持ARM指令集和Thumb指令集，这两种指令集对应ARM状态和Thumb状态。

指令本身是多少字节，在内存存储时就应该以多少字节对齐。 

ARM状态：

当ARM处理器处于ARM状态时，所有指令在内存的起始地址必须为4的倍数，这是因为ARM指令集规定一条指令为32位。

当数据为4的整数倍时，转为二进制后最低两位一定为0。CPU中的PC指向要取出的指令的首地址，因此PC值的最低两位也一定为0。因此PC值由[31:2]决定，[1:0]未定义。

[1:0]为未定义的含义是该两位的值会被强制设置为0。因为PC值可以由开发者自行更改，假如在ARM状态非法设置了PC=3(正确情况应该是4的整数倍)，这时3转为二进制为...0000 0011(共32位)，低两位的11会被强制转为00，最终CPU获取到的PC值是PC = 0。

Thumb状态：

当ARM处理器处于Thumb状态时，所有指令在内存的起始地址必须为2的倍数，这是因为Thumb指令集规定一条指令为16位。

当数据为2的整数倍时，转为二进制后最低一位一定为0。CPU中的PC指向要取出的指令的首地址，因此PC值的最低一位也一定为0。因此PC值由[31:1]决定，[0]未定义。

[0]为未定义的含义是该位的值会被强制设置为0。具体含义与ARM状态类似。

5、ARM工作模式

ARM的工作模式：

ARM有8种工作模式，分别是User、FIQ、IRQ、SVC、Abort、Undef、System、Monitor。

• User：用户模式，也叫非特权模式。当执行上层应用程序时，ARM处于该种模式。User模式下的权限是最低的。
• FIQ：快中断模式，当一个高优先级的中断产生时，ARM进入该模式。
• IRQ：外部中断模式，当一个低优先级的中断产生时，ARM进入该模式。
• SVC：管理模式，当复位或软中断时，ARM进入该模式。
• Abort：终止模式，当CPU存取数据时出现异常时(如：野指针)，ARM进入该模式。
• Undef：指令未定义模式，当CPU执行了不认识的指令时，ARM进入该模式。
• System：系统模式，使用和User模式一样，但比User的权限高。
• Monitor：监控模式，为了安全而扩展出的用于执行安全监控代码的模式

模式分类：

1、特权/非特权

User为非特权模式，权限最低。除User外的模式都是特权模式。

2、正常/异常

FIQ、IRQ、SVC、Abort、Undef属于异常模式，User、System、Monitor属于正常模式。

异常模式就是CPU正常执行时候被打断了或者不正常执行的状态。