X86架構(gòu)與ARM架構(gòu)比較

　CPU是怎樣運(yùn)作的？

　　CPU的運(yùn)作與人腦的運(yùn)作差不多。先談一下人這個(gè)系統(tǒng)的工作方式。眼鏡、耳朵、舌頭、皮膚等等感覺(jué)器官接收到“觸覺(jué)”，把信息傳給大腦，大腦把信息處理后，把處理結(jié)果送給手、腳、嘴等執(zhí)行器官就可以運(yùn)動(dòng)了。

　　人腦的功能就是從某個(gè)感覺(jué)器官讀取信息，處理信息，然后再把結(jié)果送給執(zhí)行器官。

　　一個(gè)完整的系統(tǒng)與人這個(gè)系統(tǒng)差不多，傳感器接收數(shù)據(jù)，再把數(shù)據(jù)傳給CPU（CPU按照一定的時(shí)序、協(xié)議從內(nèi)存讀數(shù)據(jù)），CPU讀取到數(shù)據(jù)并處理，把處理結(jié)果送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)就行了（實(shí)際上CPU就是按照一定時(shí)序、協(xié)議向內(nèi)存單元寫(xiě)數(shù)據(jù)）。

　　CPU從內(nèi)存中獲取數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)，再把結(jié)果送到內(nèi)存中去。

一、指令集架構(gòu)比較

1、X86指令集架構(gòu)（Register-Memory architecture）

　　CPU的運(yùn)算操作數(shù)可以全部都是寄存器，也允許其中的一個(gè)操作數(shù)在memory中。所以，CPU可以通過(guò)其他指令來(lái)與memeory交互，這種架構(gòu)的指令集相對(duì)復(fù)雜。舉一個(gè)例子如下：

add mem,reg

2、ARM指令集架構(gòu)（Load-Store architecture）

　　CPU只允許用load/store指令來(lái)與memory(Flash、RAM)交互，而CPU的運(yùn)算全部都是在寄存器中完成。也就是說(shuō)，CPU運(yùn)算的操作數(shù)只能全部來(lái)自寄存器，而且結(jié)構(gòu)也只能保存在寄存器中。所以，倘若要把RAM兩個(gè)數(shù)據(jù)相加，結(jié)果還保存到內(nèi)存中，就需要先將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)通過(guò)load指令將內(nèi)存數(shù)據(jù)加載到寄存器中，計(jì)算結(jié)束后，再將保存結(jié)果寄存器的內(nèi)容通過(guò)store指令存儲(chǔ)在RAM中。舉一個(gè)例子如下：

ADD R0,R1,R2

3、對(duì)比分析

　　兩種架構(gòu)的區(qū)別在于CPU在處理數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)內(nèi)存的訪問(wèn)實(shí)機(jī)。

　　X86可以在處理數(shù)據(jù)時(shí)直接讀寫(xiě)內(nèi)存，但是ARM只能先將內(nèi)存加載到寄存器才能讀，也只有借助寄存器尋址將運(yùn)算結(jié)果寫(xiě)到內(nèi)存。

　　ARM架構(gòu)這種LOAD/STORE架構(gòu)要比X86的Register-Memory架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)容易的多，結(jié)果更簡(jiǎn)單。　　

二、指令集比較

說(shuō)明：本文的ARM指令集只指ARM指令集，不討論THUMB指令集

1、數(shù)據(jù)傳送指令

指令類(lèi)功能:負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)、地址或立即數(shù)傳送到寄存器或存儲(chǔ)單元中

X86數(shù)據(jù)傳送指令
　　指令類(lèi)型　　　　　　　　　　指 令 說(shuō) 明
通用數(shù)據(jù)傳送指令　　　MOV（傳送）、PUSH（進(jìn)棧）、POP（出棧）、XCHG（交換）
累加器專(zhuān)用傳送指令　　IN（輸入指令） 、OUT（輸入指令）
地址傳送指令　　　　 LEA（有效地址送寄存器）、LDS（指針?biāo)图拇嫫骱虳S）、LES（指針?biāo)图拇嫫骱虴S）
標(biāo)志寄存器傳送指令　　LAHF（標(biāo)志送AH）、SAHF（AH送標(biāo)志寄存器）、PUSHF（標(biāo)志進(jìn)棧）、POPF（標(biāo)志出棧）

ARM數(shù)據(jù)傳送指令
　　指令類(lèi)型　　　　　　　　　　　　　　　指 令 說(shuō) 明
通用數(shù)據(jù)傳送指令　　　LDM（多數(shù)據(jù)裝載）、STM （多數(shù)據(jù)存儲(chǔ)）、LDR（單數(shù)據(jù)裝載）、STR（單數(shù)據(jù)存儲(chǔ)）、 SWP（單一數(shù)據(jù)交換）
標(biāo)志寄存器傳送指令　 MRS（加載標(biāo)志寄存器到寄存器） MSR（存儲(chǔ)寄存器到標(biāo)志寄存器）

補(bǔ)充說(shuō)明：
<1> LDR/STR指令的地址，一定是（基址寄存器+/-偏移量）構(gòu)成的
<2> 出棧入棧指令：無(wú)專(zhuān)用指令，用LDM、STM指令替代

2、算術(shù)指令

指令類(lèi)功能: 算術(shù)運(yùn)算
X86算術(shù)指令
指令類(lèi)型 指 令 說(shuō) 明
加法指令 ADD（加法）、ADC（帶進(jìn)位加法）、INC（加1）
減法指令 SUB（減法）、SBB（帶借位減法）、DEC（減1）、NEG（求補(bǔ)）、CMP（比較）
乘法指令 MUL（無(wú)符號(hào)數(shù)乘法）、IMUL（帶符號(hào)數(shù)乘法）
除法指令 DIV（無(wú)符號(hào)數(shù)除法）、IDIV（帶符號(hào)數(shù)除法）、CBW（字節(jié)轉(zhuǎn)換為字）、CWD（字轉(zhuǎn)換為雙字）

ARM算術(shù)指令
指令類(lèi)型指 令 說(shuō) 明
加法指令 ADC（帶進(jìn)位加法）、ADD（加法）
減法指令 SBC（帶借位減法）、SUB（減法）、CMP（比較指令）、RSB（反向減法）、RSC（帶借位的反向減法）
乘法指令 MLA（帶累加的乘法）、 MUL（乘法）
除法指令沒(méi)有專(zhuān)用除法指令，需要用函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，通常是把除法轉(zhuǎn)化為乘法來(lái)運(yùn)算
傳送類(lèi)算術(shù)指令：MOV（傳送到目的寄存器）、MVN（傳送到目的寄存器）
補(bǔ)充說(shuō)明：傳送類(lèi)算術(shù)指令兼有傳送功能和數(shù)據(jù)運(yùn)算功能

3、邏輯指令

指令類(lèi)功能: 對(duì)字或字節(jié)執(zhí)行邏輯運(yùn)算
X86邏輯指令
　指令類(lèi)型　　　　　　　　　　　　指 令 說(shuō) 明
邏輯運(yùn)算指令　　AND（邏輯與）、OR（邏輯或）、NOT（邏輯非）、XOR（異或）、TEST（測(cè)試）
移位指令　　　　SHL（邏輯左移）、SAL（算術(shù)左移）、SHR（邏輯右移）、SAR（算術(shù)右移）、ROL（循環(huán)左移）、ROR（循環(huán)右移）、RCL（帶進(jìn)位循環(huán)左移）、RCR（帶進(jìn)位右移）

ARM邏輯指令
　指令類(lèi)型　　　　　　　　　　　　指 令 說(shuō) 明
邏輯運(yùn)算指令　　AND（邏輯與）、 BIC（清楚位）、EOR（邏輯異或）、ORR（邏輯或）
移位指令　　　　LSL（邏輯或算術(shù)左移）、ASL（邏輯或算術(shù)左移）、LSR（邏輯右移）、ASR（算術(shù)右移）、 ROR（循環(huán)右移）、RRX（帶擴(kuò)展的循環(huán)右移）

4、串處理指令

指令類(lèi)功能：處理存放存儲(chǔ)器里的數(shù)據(jù)串
X86串處理指令
指令類(lèi)型　　　　　　　　指 令 說(shuō) 明
指 令　　MOVS（串傳送）、CMPS（串比較）、SCAS（串掃描）、LODS（從串?。?、STOS（存入串）

ARM串處理指令: 無(wú)

5、控制轉(zhuǎn)移指令

指令類(lèi)功能：用來(lái)控制程序的執(zhí)行流程
X86控制轉(zhuǎn)移
　指令類(lèi)型　　　　　　　　　　　　　　 指 令 說(shuō) 明
無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令　　JMP（段間和段內(nèi)轉(zhuǎn)移）
條件轉(zhuǎn)移指令 J　　 Z（結(jié)果為0（或相等）則轉(zhuǎn)移）、JS（結(jié)果為負(fù)則轉(zhuǎn)移）、JNS（結(jié)果為正則轉(zhuǎn)移）、JO（溢出則轉(zhuǎn)移）、JNO（不溢出則轉(zhuǎn)移）、JP（奇偶位為1則轉(zhuǎn)移）、JNP（奇偶位為0則轉(zhuǎn)移）
循環(huán)指令 LOOP（循環(huán)指令）、LOOPPZ/LOOPE（當(dāng)為0或相等時(shí)循環(huán)指令）、LOOPNZ/LOOPNE（當(dāng)不為0或不相等時(shí)循環(huán)指令）
子程序指令　　　　CALL（調(diào)用指令）、RET（返回指令）
中斷指令　　　　　INT（中斷）、INTO（如溢出則中斷）、RIET（從中斷返回）

ARM控制轉(zhuǎn)移
指令類(lèi)型　　　　　　　　　　指 令 說(shuō) 明
無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令　　B（跳轉(zhuǎn)）
條件轉(zhuǎn)移指令　　 BEQ（相等跳轉(zhuǎn)）、BNE（不等跳轉(zhuǎn)）等等
子程序指令　　　　BL（跳轉(zhuǎn)，并保存下一條指令的地址到LR）、MOV PC,LR（從函數(shù)返回）
軟中斷指令　　　 SWI（軟中斷）
補(bǔ)充說(shuō)明： 　　　　ARM指令集沒(méi)有X86那樣專(zhuān)用的循環(huán)指令，這些指令都是通過(guò)B、BL指令結(jié)合其他的指令來(lái)實(shí)現(xiàn)的

6、相對(duì)跳轉(zhuǎn)指令對(duì)比

X86相對(duì)跳轉(zhuǎn)指令：

　　　　　　　　jmp short 標(biāo)號(hào)(IP=IP+8位偏移量：-128~127)、

　　　　　　　　jmp near ptr 標(biāo)號(hào)(IP=IP+16位偏移量：-32768~32767)、

　　　　　　　　loop(cx=cx-1;if(cx!=0) IP=IP+8位偏移量)

ARM相對(duì)跳轉(zhuǎn)指令:

　　　　　　　　B、

　　　　　　　　BL

說(shuō)明：B、BL指令的偏移量都是24 位有符號(hào)數(shù)，左移兩位后為26位。有符號(hào)擴(kuò)展為 32 位，表示的有效偏移為 26 位(+/-32MB的地址空間)。

7、絕對(duì)跳轉(zhuǎn)指令對(duì)比
X86絕對(duì)跳轉(zhuǎn)指令：

　　　　　　　　　jmp far ptr 標(biāo)號(hào)(CS=標(biāo)號(hào)所在段的段地址;IP=標(biāo)號(hào)所在段的偏移地址)、

　　　　　　　　　jmp word ptr 內(nèi)存單元（段內(nèi)轉(zhuǎn)移）、

　　　　　　　　　jmp dword ptr 內(nèi)存單元（段間轉(zhuǎn)移）

ARM絕對(duì)跳轉(zhuǎn)指令: 無(wú)專(zhuān)用的指令，需要用指令來(lái)模擬
　　　　　　　　<1> “ldr pc, =標(biāo)號(hào)”（相應(yīng)于B）

　　　　　　　　<2> ldr lr, =halt_loop（相應(yīng)于BL）
　　　　　　　　　 ldr pc, =標(biāo)號(hào)
　　　　　halt_loop:
　　　　　　　　　b halt_loop

三、指令集對(duì)比總結(jié)

1、ARM指令集更簡(jiǎn)潔，比較少

　比如說(shuō)除法指令、循環(huán)指令、堆棧專(zhuān)用指令等等都是是沒(méi)有的，靠其他的指令綜合來(lái)完成

2、ARM指令集功能更強(qiáng)大

　比如說(shuō)b指令可以跳轉(zhuǎn)的范圍是前后32M

3、ARM每條指令都可條件執(zhí)行

　這使得C語(yǔ)言跳轉(zhuǎn)語(yǔ)句可以用很簡(jiǎn)便的方式實(shí)現(xiàn)

4、ARM指令集操作更有序

　　因?yàn)槭荓OAD/STORE結(jié)構(gòu)，所以都是先從內(nèi)存中加載數(shù)據(jù)到寄存器（load），然后通過(guò)寄存器處理，再把處理結(jié)果寫(xiě)到內(nèi)存中（store）?！　?/p>

5、ARM指令集都是4字節(jié)的

　　這樣便于流水線的實(shí)現(xiàn)，而且內(nèi)存的分配更有序。在指令尋址上，也節(jié)省了兩位地址。