CPU图谱-指令集ISA架构
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发布时间：2024-10-18 15:22
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时间：2024-11-06 22:45
CPU核心包括算术逻辑单元（ALU）、控制单元（CU）、寄存器（Register）、RAM以及I/O模块。CPU架构分为冯·诺依曼与哈佛两种设计。
冯·诺依曼架构中，所有存储器可同时存储指令与数据；哈佛架构则将存储器分为指令与数据两部分。哈佛架构允许在单个周期内执行指令，CPU设计因此更简单、更简洁。
早期微处理器多采用冯·诺依曼结构，如Intel X86处理器，使用分时方法同时获取指令与操作数。哈佛结构则以DSP与ARM处理器为代表，内部程序与数据空间分离，实现同时获取指令与操作数，显著提升运算能力。
现代处理器虽外部总线采用冯·诺依曼结构，但内部高速缓存的存在使得架构类似改进型哈佛结构。目前讨论CPU架构时，已不再强调冯·诺依曼与哈佛的区别。嵌入式开发工程师理解CPU运行机制即可。
接下来将重点介绍ARM架构处理器。
ARM公司，全称为Advanced RISC Machines，提供全球领先的半导体IP，早期由苹果、诺基亚、Acorn、VLSI、Technology等公司合资创立。苹果手机芯片采用ARM架构后，ARM逐步成为主流市场领导者，成功挑战英特尔，主导移动终端芯片设计。
ARM从事IP授权，通过销售知识产权盈利。使用ARM内核IP设计的处理器芯片成为嵌入式设备市场的主流，是学习嵌入式开发的理想平台。
指令集体系架构（ISA）是CPU的灵魂，指令作为处理器操作的基本单元。ISA指令集可以使用不同微架构设计不同性能的处理器。
指令集架构作为软件与硬件间的桥梁，定义处理器底层硬件与软件之间的信息（数据类型、存储模型、处理器状态、指令集、系统模型、外部接口）。理解基础有助于更好地理解底层硬件与软件关系。
复杂指令集CISC与精简指令集RISC，前者指令功能强大，实现功能广泛，设计复杂；后者通过简单指令组合实现更多功能，设计简单，能耗表现更佳。
处理器架构的位数（如8位、32位、64位）定义通用寄存器宽度，决定寻址范围、运算能力。ARM采用精简指令集模式设计CPU。
ARM指令集架构经历了多次迭代，从1985年发布最早的ARM架构，到2021年引入Confidential Compute Architecture与Realms技术，提升安全性和隔离性。
这一章节重点介绍了指令集ISA架构的概念及其在CPU中的作用，作为软件与硬件沟通的桥梁。软件运行于CPU需符合其ISA指令集。后续将深入探讨编译器与链接器。
