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本文源自《書香度年華》「ARM?架構(gòu)專欄」，是一系列由淺入深、循序漸進的文章，文章之間有一定的前后關(guān)聯(lián)性，所以按順序閱讀，建議收藏專欄。
一、定義
ISA是計算機硬件與系統(tǒng)軟件之間的接口，指機器語言程序員或操作系統(tǒng)、編譯器、解釋器設(shè)計人員所看到的計算機功能特性和概念性結(jié)構(gòu)，ISA 是計算機體系結(jié)構(gòu)中非常重要的部分，通常是一套規(guī)范。
二、要素
ISA 規(guī)定了數(shù)據(jù)類型、寄存器、字節(jié)次序、指令格式、指令集、尋址方式、異常處理方式。
2.1 數(shù)據(jù)類型
字節(jié)、半字、字、雙字等
2.2 寄存器
寄存器(Register),是中央處理器內(nèi)的其中組成部分。寄存器是有限存貯容量的高速存貯部件,它們可用來暫存指令、數(shù)據(jù)和地址。在中央處理器的控制部件中，包含的寄存器有指令寄存器和程序計數(shù)器。在中央處理器的算術(shù)及邏輯部件中，包含的寄存器有累加器。
2.3 字節(jié)次序
字節(jié)順序是指占內(nèi)存多于一個字節(jié)類型的數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的存放順序，通常有小端、大端兩種字節(jié)順序。小端字節(jié)序指低字節(jié)數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存低地址處，高字節(jié)數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存高地址處；大端字節(jié)序是高字節(jié)數(shù)據(jù)存放在低地址處，低字節(jié)數(shù)據(jù)存放在高地址處。
2.4 指令格式
一條機器指令是一組有意義的二進制代碼，是一串高低電平信號，用來指揮計算機運作，表示計算機中的一條命令。
一條指令包含操作碼和地址碼兩部分。操作碼表示指令的操作和功能，用來告訴計算機來做什么操作，地址碼表示操作數(shù)的地址或者操作數(shù)本身，用來告訴計算機操作的對象，以及這些對象的地址等信息。
一條機器指令的長度與機器字長沒有固定關(guān)系。機器指令的長度可以等于機器字長，稱為單字長指令；也可以等于半個機器字長，稱為半字長指令；還可以等于兩個機器字長，稱為雙字長指令。
- 定長指令字結(jié)構(gòu)：一個指令系統(tǒng)中的所有指令長度均相等，簡單但不靈活。
- 變長指令字結(jié)構(gòu)：指令系統(tǒng)中指令的長短各異，靈活但復(fù)雜。
2.5 指令集
指令集是指操作計算機的指令系統(tǒng)，指令集可以分為跳轉(zhuǎn)指令、數(shù)據(jù)處理指令、程序狀態(tài)寄存器(PSR)處理指令、加載/存儲指令、協(xié)處理器指令和異常產(chǎn)生指令六大類。
2.6 尋址方式
尋址方式就是處理器根據(jù)指令中給出的地址信息來尋找有效地址的方式，是確定本條指令的數(shù)據(jù)地址以及下一條要執(zhí)行的指令地址的方法。
2.6.1 指令尋址
- 順序?qū)ぶ贩绞?/strong>
由于指令地址在內(nèi)存中按順序安排，當執(zhí)行一段程序時，通常是一條指令接一條指令地順序進行。也就是說，從存儲器取出第1條指令，然后執(zhí)行這條指令；接著從存儲器取出第2條指令，再執(zhí)行第二條指令；接著再取出第3條指令。
這種程序順序執(zhí)行的過程，稱為指令的順序?qū)ぶ贩绞?。為?#xff0c;必須使用程序計數(shù)器（又稱指令計數(shù)器）PC來計數(shù)指令的順序號，該順序號就是指令在內(nèi)存中的地址。
- 跳躍尋址方式
當程序轉(zhuǎn)移執(zhí)行的順序時，指令的尋址就采取跳躍尋址方式。所謂跳躍，是指下條指令的地址碼不是由程序計數(shù)器給出，而是由本條指令給出。注意，程序跳躍后，按新的指令地址開始順序執(zhí)行。因此，程序計數(shù)器的內(nèi)容也必須相應(yīng)改變，以便及時跟蹤新的指令地址。
采用指令跳躍尋址方式，可以實現(xiàn)程序轉(zhuǎn)移或構(gòu)成循環(huán)程序，從而能縮短程序長度，或?qū)⒛承┏绦蜃鳛楣渤绦蛞?。指令系統(tǒng)中的各種條件轉(zhuǎn)移或無條件轉(zhuǎn)移指令，就是為了實現(xiàn)指令的跳躍尋址而設(shè)置的。
注意是否跳躍可能受到狀態(tài)寄存器的操作數(shù)的控制，而跳躍到的地址分為絕對地址（由標記符直接得到）和相對地址（對于當前指令地址的偏移量），跳躍的結(jié)果是當前指令修改PC程序計數(shù)器的值，所以下一條指令仍是通過程序計數(shù)器PC給出。
2.6.2 數(shù)據(jù)尋址
形成操作數(shù)的有效地址的方法稱為操作數(shù)的尋址方式。
由于大型機、小型機、微型機和單片機結(jié)構(gòu)不同，從而形成了各種不同的操作數(shù)尋址方式。下面介紹一些比較典型又常用的操作數(shù)尋址方式。
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隱含尋址
這種類型的指令，不是明顯地給出操作數(shù)的地址。而是在指令中隱含著操作數(shù)的地址。例如，單地址的指令格式，就不明顯地在地址字段中指出第2操作數(shù)的地址，而是規(guī)定累加寄存器AC作為第2操作數(shù)地址，指令格式明顯指出的僅是第1操作數(shù)的地址D。
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立即尋址
指令的地址字段指出的不是操作數(shù)的地址，而是操作數(shù)本身，這種尋址方式稱為立即尋址。立即尋址方式的特點是指令執(zhí)行時間很短，因為它不需要訪問內(nèi)存取數(shù)，從而節(jié)省了訪問內(nèi)存的時間。?
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直接尋址
直接尋址是一種基本的尋址方法，其特點是：在指令格式的地址的字段中直接指出操作數(shù)在內(nèi)存的地址。
由于操作數(shù)的地址直接給出而不需要經(jīng)過某種變換，所以稱這種尋址方式為直接尋址方式。在指令中直接給出參與運算的操作數(shù)及運算結(jié)果所存放的主存地址，即在指令中直接給出有效地址 。
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間接尋址
間接尋址是相對直接尋址而言的，在間接尋址的情況下，指令地址字段中的形式地址不是操作數(shù)的真正地址，而是操作數(shù)地址的指示器，或者說此形式地址單元的內(nèi)容才是操作數(shù)的有效地址。?
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寄存器直接、間接尋址方式
當操作數(shù)不放在內(nèi)存中，而是放在CPU的通用寄存器中時，可采用寄存器尋址方式。顯然，此時指令中給出的操作數(shù)地址不是內(nèi)存的地址單元號，而是通用寄存器的編號。指令結(jié)構(gòu)中的RR型指令，就是采用寄存器尋址方式的例子。
寄存器間接尋址方式與寄存器尋址方式的區(qū)別在于：指令格式中的寄存器內(nèi)容不是操作數(shù)，而是操作數(shù)的地址，該地址指明的操作數(shù)在內(nèi)存中。?
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相對尋址方式
相對尋址是把程序計數(shù)器PC的內(nèi)容加上指令格式中的形式地址D而形成操作數(shù)的有效地址。程序計數(shù)器的內(nèi)容就是當前指令的地址?！跋鄬Α睂ぶ?#xff0c;就是相對于當前的指令地址而言。采用相對尋址方式的好處是程序員無須用指令的絕對地址編程，因而所編程序可以放在內(nèi)存的任何地方。?
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基址尋址方式
在基址尋址方式中將CPU中的基址寄存器的內(nèi)容，加上變址寄存器的內(nèi)容而形成操作數(shù)的有效地址?；穼ぶ返膬?yōu)點是可以擴大尋址能力，因為與相對地址相比，基址寄存器的位數(shù)可以設(shè)置得很長，從而可以在較大的存儲空間中尋址。?
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變址尋址方式
變址尋址方式與基址尋址方式計算有效地址的方法很相似，它把CPU中某個變址寄存器的內(nèi)容與偏移量D相加來形成操作數(shù)有效地址。
但使用變址尋址方式的目的不在于擴大尋址空間，而在于實現(xiàn)程序塊的規(guī)律變化。為此，必須使變址寄存器的內(nèi)容實現(xiàn)有規(guī)律的變化（如自增1、自減1、乘比例系數(shù)）而不改變指令本身，從而使有效地址按變址寄存器的內(nèi)容實現(xiàn)有規(guī)律的變化。?
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塊尋址方式
塊尋址方式經(jīng)常用在輸入輸出指令中，以實現(xiàn)外存儲器或外圍設(shè)備同內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)塊傳送。塊尋址方式在內(nèi)存中還可用于數(shù)據(jù)塊移動。?
2.7?異常處理方式
部分內(nèi)容是以 Arm 架構(gòu)為例
2.7.1? 定義
有人說，正常工作之外的流程都叫異常，除了系統(tǒng)模式和用戶模式外，其他情況都是異常；
以 Arm 指令集架構(gòu)來看，這樣說確實是合理的。
- 異常會打斷正在執(zhí)行的工作，并且一般我們希望異常處理完成后繼續(xù)回來執(zhí)行原來的工作；
- 中斷是異常的一種；
2.7.2 分類
- 快速中斷異常 FIQ
- 中斷請求異常 IRQ
- 終止 Abort
- 指令預(yù)取終止、數(shù)據(jù)終止
- 軟件中斷指令 SWI
- 未定義指令異常
2.7.3?異常向量表
- 異常向量表是硬件向軟件提供的處理異常的入口，是軟件處理異常的接口；
- 當異常發(fā)生時，CPU 會產(chǎn)生一些自動動作，比如PC 跳轉(zhuǎn)到異常向量處處理異常，有時伴有一些輔助動作；
2.7.4 異常處理流程
- 當?種異常發(fā)?時，硬件就會?動執(zhí)?如下動作:
- 將CPSR保存到相應(yīng)異常模式下的SPSR中
- 把PC寄存器保存到相應(yīng)異常模式下的LR中
- 將CPSR設(shè)置成相應(yīng)的異常模式
- 設(shè)置PC寄存器的值為相應(yīng)處理程序的??地址
- 當異常結(jié)束時，異常處理程序必須：
- 將LR中的值減去偏移量后存?PC，偏移量根據(jù)異常的類型?有所不同；
- 將SPSR的值復(fù)制回CPSR；
- 清零中斷禁?標志，恢復(fù)CPSR的動作會將T、F和I位?動恢復(fù)為異常發(fā)?前的值
R15（PC）總是指向“正在取指”的指令，?不是指向“正在執(zhí)?”的指令或正在“譯碼”的指令。?般來說，?們習慣性約定將“正在執(zhí)?的 指令作為參考點”，稱之為當前第?條指令，因此PC總是指向第三條指令。當ARM狀態(tài)時，每條指令為4字節(jié)長，所以PC始終指向該指令地址加8字節(jié) 的地址，即：PC值=當前程序執(zhí)?位置+8；
三、Arm A-Profile 指令集架構(gòu)
在了解了指令集架構(gòu)概念后，我們可以根據(jù)學到的知識試著解讀10000+ 頁 的 Arm A-Profile 架構(gòu)參考手冊。
DDI0487 I.a a-profile architecture reference manual.pdf 【2022.8.18版本】
三、總結(jié)
本文首先介紹了指令集架構(gòu)的定義、概念，然后對其關(guān)鍵要素進行了簡要介紹，最后從指令集架構(gòu)角度來拆解上萬頁的 Arm A-Profile 架構(gòu)參考手冊。
參考
- 【DDI0487 I.a】Arm Architecture Reference Manual for A-profile architecture
術(shù)語
圖靈機
一個抽象的機器、思想模型；
總線?
計算機各種功能部件之間傳送信息的公共通信干線；
Trustzone
通過隔離實現(xiàn)可信域的技術(shù)；
Hypervisor
虛擬機監(jiān)視器，是用來建立與執(zhí)行虛擬機器的軟件、固件或硬件。
寫在后面
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