全球最流行的微处理器架构——ARM体系结构

ARM体系结构是一种基于RISC（精简指令集计算）原理的32位或64位微处理器架构，广泛应用于嵌入式系统设计，特别是移动设备和物联网领域。ARM体系结构的特点是低功耗、高性能、低成本和高可扩展性。

ARM体系结构将存储器看作是从0地址开始的字节的线性组合。作为32位的微处理器，ARM体系结构所支持的最大寻址空间为4GB。ARM体系结构可以用两种方法存储字数据，分别为大端模式和小端模式。大端模式是指字中最高有效字节存放在最低地址处，而小端模式是指字中最低有效字节存放在最低地址处。

ARM体系结构支持多种数据类型，包括字节（8位）、半字（16位）、字（32位）和双字（64位）。ARM体系结构还支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好地兼容8位/16位器件。Thumb指令集是一种压缩的16位指令集，可以提高代码密度和节省存储空间，但功能相对较少。ARM指令集是一种完整的32位指令集，可以提供更多的功能和灵活性，但占用更多的存储空间。

ARM体系结构支持多种处理器模式，包括用户模式、快速中断模式、中断模式、管理模式、中止模式、系统模式和未定义模式。除了用户模式外，其余的均为特权模式，可以访问特殊的寄存器和指令。用户模式是正常程序执行的模式，不能直接改变处理器状态或执行特权操作。快速中断模式和中断模式是用来响应外部事件的模式，具有较高的优先级和较快的响应速度。管理模式是用来处理异常情况的模式，例如复位、数据异常或软件中断。中止模式是用来处理内存访问错误的模式，例如无效地址或权限错误。系统模式是用来执行操作系统内核代码的模式，具有与用户模式相同的寄存器集合，但可以执行特权操作。未定义模式是用来处理未定义指令的模式，例如非法或不支持的指令。

ARM体系结构采用流水线技术来提高指令执行效率。流水线技术是指将一个指令分成若干个阶段，并让不同阶段并行执行，从而提高吞吐率和性能。根据不同的设计，ARM体系结构可以有三级流水线或五级流水线。三级流水线包括取指令、译码和执行三个阶段，适用于较简单的设计，例如ARM7系列。五级流水线包括取指令、译码、发射、执行和回写五个阶段，适用于较复杂的设计，例如ARM9系列。

ARM体系结构具有丰富的指令集，可以分为数据处理指令、数据传输指令、分支指令、状态寄存器访问指令、协处理器访问指令等类别。数据处理指令是用来进行算术运算、逻辑运算、移位运算等操作的指令，例如ADD、AND、MOV等。数据传输指令是用来进行内存访问和寄存器间传输的指令，例如LDR、STR、PUSH、POP等。分支指令是用来改变程序执行流程的指令，例如B、BL、BX等。状态寄存器访问指令是用来读写处理器状态寄存器的指令，例如MRS、MSR等。协处理器访问指令是用来与协处理器进行通信的指令，例如MCR、MRC等。

ARM体系结构支持多种寻址方式，包括立即数寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、基址变址寻址、后增量寻址、前增量寻址等。立即数寻址是指直接使用常数作为操作数的寻址方式，例如MOV R0, #0。寄存器寻址是指直接使用寄存器作为操作数的寻址方式，例如ADD R0, R1, R2。寄存器间接寻址是指使用寄存器中的内容作为内存地址的寻址方式，例如LDR R0, [R1]。基址变址寻址是指在寄存器间接寻址的基础上加上一个偏移量的寻址方式，例如LDR R0, [R1, #4]。后增量寻址是指在内存访问完成后自动修改基地址的寻址方式，例如LDR R0, [R1], #4。前增量寻址是指在内存访问之前自动修改基地址的寻址方式，例如LDR R0, [R1, #4]!。

ARM体系结构还有一些其他的特点，例如支持条件执行、支持位域操作、支持向量浮点运算、支持协处理器扩展等。条件执行是指根据处理器状态寄存器中的标志位来决定是否执行某条指令的功能，例如ADDNE R0, R1, R2表示如果不等于（NE）标志位为真，则执行加法操作。位域操作是指对内存中的某一段连续的位进行读写的功能，例如UBFX R0, R1, #8, #16表示从R1中提取第8到第23位，并放入R0中。向量浮点运算是指对浮点数进行并行计算的功能，例如VADD.F32 Q0, Q1, Q2表示将Q1和Q2中的四个单精度浮点数分别相加，并放入Q0中。协处理器扩展是指通过添加额外的硬件模块来增强处理器功能的功能，例如CP15是一个用来控制高速缓存和内存管理单元的协处理器。