X86架构与ARM架构比较

引言

　CPU是怎样运作的？

　　CPU的运作与人脑的运作差不多。先谈一下人这个系统的工作方式。眼镜、耳朵、舌头、皮肤等等感觉器官接收到“触觉”，把信息传给大脑，大脑把信息处理后，把处理结果送给手、脚、嘴等执行器官就可以运动了。

　　人脑的功能就是从某个感觉器官读取信息，处理信息，然后再把结果送给执行器官。

　　一个完整的系统与人这个系统差不多，传感器接收数据，再把数据传给CPU（CPU按照一定的时序、协议从内存读数据），CPU读取到数据并处理，把处理结果送给执行机构就行了（实际上CPU就是按照一定时序、协议向内存单元写数据）。

　　CPU从内存中获取数据，处理数据，再把结果送到内存中去。

一、指令集架构比较

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

　　 CPU的运算操作数可以全部都是寄存器，也允许其中的一个操作数在memory中。所以，CPU可以通过其他指令来与memeory交互，这种架构的指令集相对复杂。举一个例子如下：

add mem,reg

2、ARM指令集架构（Load-Store architecture ）

　　CPU只允许用load/store指令来与memory(Flash、RAM)交互，而CPU的运算全部都是在寄存器中完成。也就是说，CPU运算的操作数只能全部来自寄存器，而且结构也只能保存在寄存器中。所以，倘若要把RAM两个数据相加，结果还保存到内存中，就需要先将内存中的数据通过load指令将内存数据加载到寄存器中，计算结束后，再将保存结果寄存器的内容通过store指令存储在RAM中。举一个例子如下：

ADD R0,R1,R2

3、对比分析

　　两种架构的区别在于CPU在处理数据时，对内存的访问实机。

　　X86可以在处理数据时直接读写内存，但是ARM只能先将内存加载到寄存器才能读，也只有借助寄存器寻址将运算结果写到内存。

　　ARM架构这种LOAD/STORE架构要比X86的Register-Memory架构设计时容易的多，结果更简单。 　　

二、指令集比较

说明：本文的ARM指令集只指ARM指令集，不讨论THUMB指令集

1、数据传送指令

指令类功能:负责把数据、地址或立即数传送到寄存器或存储单元中

X86数据传送指令 
　　指令类型                   　　　　　　　　　　指    令   说  明
通用数据传送指令  　　　MOV（传送）、PUSH（进栈）、POP（出栈）、XCHG（交换）
累加器专用传送指令  　　IN（输入指令） 、OUT（输入指令）
地址传送指令   　　　　 LEA（有效地址送寄存器）、LDS（指针送寄存器和DS）、LES（指针送寄存器和ES）
标志寄存器传送指令  　　LAHF（标志送AH）、SAHF（AH送标志寄存器）、PUSHF（标志进栈）、POPF（标志出栈）

ARM数据传送指令
　　指令类型      　　　　　　　　　　　　　　　指    令   说  明
通用数据传送指令 　　　LDM（多数据装载）、STM （多数据存储） 、LDR（单数据装载）、STR（单数据存储）、 SWP（单一数据交换）
标志寄存器传送指令  　 MRS（加载标志寄存器到寄存器） MSR（存储寄存器到标志寄存器）

补充说明：
<1> LDR/STR指令的地址，一定是（基址寄存器+/-偏移量）构成的
<2> 出栈入栈指令：无专用指令，用LDM、STM指令替代

2、算术指令

指令类功能: 算术运算                                                                                                          
X86算术指令
指令类型      指   令  说  明
加法指令   ADD（加法）、ADC（带进位加法）、INC（加1）
减法指令   SUB（减法）、SBB（带借位减法）、DEC（减1）、NEG（求补）、CMP（比较）
乘法指令   MUL（无符号数乘法）、IMUL（带符号数乘法）
除法指令   DIV（无符号数除法）、IDIV（带符号数除法）、CBW（字节转换为字）、CWD（字转换为双字）

ARM算术指令
指令类型     指   令  说  明 
加法指令   ADC（带进位加法）、ADD（加法）  
减法指令   SBC（带借位减法）、SUB（减法）、CMP（比较指令）、RSB（反向减法）、RSC（带借位的反向减法）
乘法指令   MLA（带累加的乘法）、 MUL（乘法）
除法指令  没有专用除法指令，需要用函数来实现，通常是把除法转化为乘法来运算
传送类算术指令： MOV（传送到目的寄存器）、MVN（传送到目的寄存器）
补充说明：传送类算术指令兼有传送功能和数据运算功能

3、逻辑指令

指令类功能: 对字或字节执行逻辑运算
X86逻辑指令
　指令类型      　　　　　　　　　　　　指   令  说  明
逻辑运算指令   　　AND（逻辑与）、OR（逻辑或）、NOT（逻辑非）、XOR（异或）、TEST（测试）
移位指令   　　　　SHL（逻辑左移）、SAL（算术左移）、SHR（逻辑右移）、SAR（算术右移）、ROL（循环左移）、ROR（循环右移）、RCL（带进位循环左移）、RCR（带进位右移）

ARM逻辑指令
　指令类型      　　　　　　　　　　　　指   令  说  明
逻辑运算指令  　　AND（逻辑与）、 BIC（清楚位）、EOR（逻辑异或）、ORR（逻辑或）
移位指令  　　　　LSL（逻辑或算术左移）、ASL（逻辑或算术左移）、LSR（逻辑右移）、ASR（算术右移）、 ROR（循环右移）、RRX（带扩展的循环右移）

4、串处理指令

指令类功能：处理存放存储器里的数据串
X86串处理指令
指令类型      　　　　　　　　指    令  说  明
指   令   　　MOVS（串传送）、CMPS（串比较）、SCAS（串扫描）、LODS（从串取）、STOS（存入串）

ARM串处理指令: 无

5、控制转移指令

指令类功能：用来控制程序的执行流程
X86控制转移
　指令类型     　　　　　　　　　　　　　　  指    令  说  明   
无条件转移指令   　　JMP（段间和段内转移）
条件转移指令   J　　 Z（结果为0（或相等）则转移）、JS（结果为负则转移）、JNS（结果为正则转移）、JO（溢出则转移）、JNO（不溢出则转移）、JP（奇偶位为1则转移）、JNP（奇偶位为0则转移）
循环指令   LOOP（循环指令）、LOOPPZ/LOOPE（当为0或相等时循环指令）、LOOPNZ/LOOPNE（当不为0或不相等时循环指令）
子程序指令   　　　　CALL（调用指令）、RET（返回指令）
中断指令   　　　　　INT（中断）、INTO（如溢出则中断）、RIET（从中断返回）

ARM控制转移
指令类型    　　　　　　　　　　指    令  说  明
无条件转移指令  　　B（跳转）
条件转移指令  　　   BEQ（相等跳转）、BNE（不等跳转）等等
子程序指令  　　　　BL（跳转，并保存下一条指令的地址到LR）、MOV PC,LR（从函数返回）
软中断指令   　　　 SWI（软中断）
补充说明： 　　　　ARM指令集没有X86那样专用的循环指令，这些指令都是通过B、BL指令结合其他的指令来实现的

6、相对跳转指令对比

X86相对跳转指令：

　　　　　　　　jmp short 标号(IP=IP+8位偏移量：-128~127)、

　　　　　　　　jmp near ptr 标号(IP=IP+16位偏移量：-32768~32767)、

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

ARM相对跳转指令:

　　　　　　　　B、

　　　　　　　　BL

说明：B、BL指令的偏移量都是24 位有符号数，左移两位后为26位。有符号扩展为 32 位，表示的有效偏移为 26 位(+/-32MB的地址空间)。

7、绝对跳转指令对比
X86绝对跳转指令：

　　　　　　　　　jmp far ptr 标号(CS=标号所在段的段地址;IP=标号所在段的偏移地址)、

　　　　　　　　　jmp word ptr 内存单元（段内转移）、

　　　　　　　　　jmp dword ptr 内存单元（段间转移）

ARM绝对跳转指令: 无专用的指令，需要用指令来模拟
　　　　　　　　<1> “ldr pc, =标号”（相应于B）

　　　　　　　　<2> ldr lr, =halt_loop（相应于BL）       
   　　　　　　　　　 ldr pc, =标号          
　　　　　halt_loop:
    　　　　　　　　　b   halt_loop

三、指令集对比总结

1、ARM指令集更简洁，比较少

　 比如说除法指令、循环指令、堆栈专用指令等等都是是没有的，靠其他的指令综合来完成

2、ARM指令集功能更强大

　比如说b指令可以跳转的范围是前后32M

3、ARM每条指令都可条件执行

　这使得C语言跳转语句可以用很简便的方式实现

4、ARM指令集操作更有序

　　因为是LOAD/STORE结构，所以都是先从内存中加载数据到寄存器（load），然后通过寄存器处理，再把处理结果写到内存中（store）。　　

5、ARM指令集都是4字节的

　　这样便于流水线的实现，而且内存的分配更有序。在指令寻址上，也节省了两位地址。

参考：load-store/register-memory/register-plus-memory比较