常用32位处理器的体系结构特点-软考在线

常用32位处理器的体系结构特点



考试要求：掌握

知识路径： > 嵌入式系统硬件基础知识 > 嵌入式微处理基础 > 嵌入式微处理器的结构和类型 > 常用8位、16位、32位、64位处理器的体系结构特点 > 8位、16位、32位处理器的体系结构特点

32位处理器采用32位的地址和数据总线，其地址空间达到了4GB。目前主流的32位嵌入式微处理器系列主要有ARM系列、MIPS系列、PowerPC系列等。属于这些系列的嵌入式微处理器产品很多，有千种以上。

（1）ARM。作为一种RISC体系结构的微处理器，ARM处理器具有RISC体系结构的典型特征，同时具有以下特点：

.在每条数据处理指令当中，都控制算术逻辑单元ALU和移位器，以使ALU和移位器获得最大的利用率。

.自动递增和自动寻址模式，以优化程序中的循环。

.同时执行Load和Store多条指令，以增加数据吞吐量。

.所有指令都可以条件执行，以执行吞吐量。

这些是对基本RISC体系结构的增强，使得ARM处理器可以在高性能、小代码尺寸、低功耗和小芯片面积之间获得好的平衡。

ARM的数据类型：

.字（Word）：在ARM体系结构中，字的长度为32位，而在8位／16位处理器体系结构中，字的长度一般为16位。

.半字（Half-Word）：在ARM体系结构中，半字的长度为16位，与8位／16位处理器体系结构中字的长度一致。

.字节（Byte）：在ARM体系结构和8位／16位处理器体系结构中，字节的长度均为8位。

ARM微处理器支持7种运行模式：

.用户模式（USR）：ARM处理器正常的程序执行状态。

.快速中断模式（FIQ）：用于高速数据传输或通道处理。

.外部中断模式（IRQ）：用于通用的中断处理。

.管理模式（SVC）：操作系统使用的保护模式。

.数据访问终止模式（ABT）：当数据或指令预取终止时进入该模式，可用于虚拟存储及存储保护。

.系统模式（SYS）：运行具有特权的操作系统任务。

.定义指令中止模式（UND）：当未定义的指令执行时进入该模式，可用于支持硬件协处理器的软件仿真。

（2）MIPS。MIPS 32架构刷新了32位嵌入式处理器的性能标准。它是MIPS科技公司下一代高性能MIPS-Based处理器SoC发展蓝图的基础，并向上兼容MIPS 64位架构。MIPS架构拥有强大的指令集、从32位到64位的可扩展性、广泛的软件开发工具以及众多MIPS科技公司授权厂商的支持，是领先的嵌入式架构。

MIPS 32架构是以前的MIPS Ⅰ和MIPS Ⅱ指令集架构的扩展集，整合了专门用于嵌入式应用的功能强大的新指令，以及以往只在64位R4000和R5000 MIPS处理器中能见到的已经验证的存储器管理和特权模式控制机制。通过整合强大的新功能、标准化特权模式指令以及支持前代ISA，MIPS 32架构为未来所有基于32位MIPS的开发提供了一个坚实的高性能基础。

MIPS 32架构基于一种固定长度的定期编码指令集，并采用导入／存储（load／store）数据模型。经改进，这种架构可支持高级语言的优化执行。其算术和逻辑运算采用三个操作数的形式，允许编译器优化复杂的表达式。此外，它还带有32个通用寄存器，让编译器能够通过保持对寄存器内数据的频繁存取进一步优化代码的生成性能。

（3）PowerPC。PowerPC体系结构分为三个级别。通过对体系结构以这种方式进行划分，为实现可以选择价格／性能比平衡的复杂性级别留出了空间，同时还保持了实现间的代码兼容性。

.Book Ⅰ用户指令集体系结构。定义了通用于所有PowerPC实现的用户指令和寄存器的基本集合。这些是非特权指令，为大多数程序所用。

.Book Ⅱ虚拟环境体系结构。定义了常规应用软件要求之外的附加用户级功能，例如高速缓存管理、原子操作和用户级计时器支持。虽然这些操作也是非特权的，但是程序通常还是通过操作系统调用来访问这些函数。

.Book Ⅲ操作环境体系结构。定义了操作系统所需要的内容。其中包括用于内存管理、异常向量处理、特权寄存器访问、特权计时器访问的函数。Book Ⅲ中详细说明了对各种系统服务和功能的直接硬件支持。从最初的PowerPC体系结构的开发开始，就根据特定的市场需求而发生分支。

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