了解ARM內核中的處理器和注冊文件

了解ARM內核的微體系結構，包括寄存器文件的說明及其在處理器中的功能。
在本文中，我們將定義什么是微體系結構。我們還將說明什么是ARM寄存器文件以及它在處理器的微體系結構中的位置。
本文旨在為下一篇文章提供基礎信息，在本文中，我們將介紹匯編的基礎知識，并展示一些使用Raspberry Pi編寫的32位ARM內核的基本匯編指令。

什么是微架構？

微體系結構（有時寫為“微體系結構”）是允許執行指令集的數字邏輯。它是寄存器，存儲器，算術邏輯單元，多路復用器和任何其他數字邏輯塊的組合實現。所有這些共同構成了處理器。

微體系結構與指令集體系結構（ISA）相結合，構成了系統的整體計算機體系結構。不同的微體系結構可以實現相同的ISA，但是需要在功率效率或執行速度等方面進行權衡。最基本的處理器將包括一個寄存器文件，一個ALU，系統存儲器和一個控制單元，該控制單元使處理器可以根據其執行的指令來做出決定。

ARM寄存器文件

要對數據執行操作，需要有一個臨時存儲該數據的地方。這就是處理器的注冊文件的用途。寄存器文件是一堆寄存器，用于存儲臨時值并對這些值執行操作。在寄存器之外，可以檢索數據并將其存儲在計算機的內存中。雖然這是一個較慢的操作，但是與可用的相對較少的寄存器相比，可以在內存中存儲的內容更多。寄存器文件通常以SRAM的形式出現。

讓我們以32位ARM內核為例。在這種情況下，我們將重點介紹32位ARMV7指令和32位寄存器。

32位或4字節的數量對應于ARM指令集中的一個字。ARM寄存器文件包含十六個用于執行指令的寄存器。還存在狀態寄存器來存儲有關操作結果的信息，并允許處理器根據該結果做出決定。

注冊符號

寄存器用字母R和數字表示。

• R0–R3用于存儲臨時值或變量，但在子例程調用中也起作用。

• R4–R12是通用的。

• R13或SP是堆棧指針。堆棧指針包含一個內存地址，程序可以在該內存中存儲以后需要檢索的信息。

• R14是鏈接寄存器，與分支指令一起使用以返回程序中的上一個位置。

• R15，稱為PC為program?ounter，存儲下一個指令的地址被執行。這給PC帶來了巨大的責任，因為它可以控制處理器上執行的指令。在PC上輸入錯誤的值，您的程序可能會突然停止運行；這通常稱為崩潰。
  

注冊標志

所述 current program status register (CPSR)，前面提到的，包含大量的標記，可以是當集的指令執行的。

這些標志是N，Z，C和V標志：

• N代表負數，并在指令結果為負數時使用。

• Z，ZERO，當結果為零。

• C代表carry并且在進位輸出被設定的指令結果時。

• V代表oveRFlow ,發生溢出時被設置。
  

為了檢查這些標志，在編寫匯編代碼時，某些條件后綴（在后面的文章中討論）會附加到指令中。


處理器的一部分：數據路徑和控制單元

盡管我們不會詳細介紹設計ARM處理器的細節（也許在以后的文章中），但最好能基本了解寄存器文件適合運行我們的指令的系統的位置。下面的圖1是處理器的高度簡化框圖。

寄存器文件包含處理器的當前狀態，并且ALU和內存與該狀態交互。內存分為多個部分。其中包含正在執行的指令列表（匯編程序）；另一個保存程序將使用的數據。所有這些組件以及綠色突出顯示的行構成了處理器的數據路徑。

數據路徑包含執行正在實施的ISA中所有指令所需的所有內容。但是數據路徑如何知道要執行哪個操作？

圖1.高度簡化的處理器

數據路徑上方是控制單元?？刂茊卧忉屧诿總€指令中找到的操作碼（操作碼）和條件碼，以打開或關閉數據路徑內的路由?？刂茊卧固幚砥髂軌蚋鶕斍皬膬却嬷凶x取的指令執行不同的操作?？刂茊卧蛿祿窂焦餐瑯嫵闪?a target="_blank">CPU或中央處理單元。

添加允許CPU與其他組件交互的內存就形成了我們所謂的處理器。