X86架構與ARM架構比較

　CPU是怎樣運作的？

　　CPU的運作與人腦的運作差不多。先談一下人這個系統的工作方式。眼鏡、耳朵、舌頭、皮膚等等感覺器官接收到“觸覺”，把信息傳給大腦，大腦把信息處理后，把處理結果送給手、腳、嘴等執行器官就可以運動了。

　　人腦的功能就是從某個感覺器官讀取信息，處理信息，然后再把結果送給執行器官。

　　一個完整的系統與人這個系統差不多，傳感器接收數據，再把數據傳給CPU（CPU按照一定的時序、協議從內存讀數據），CPU讀取到數據并處理，把處理結果送給執行機構就行了（實際上CPU就是按照一定時序、協議向內存單元寫數據）。

　　CPU從內存中獲取數據，處理數據，再把結果送到內存中去。

一、指令集架構比較

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

　　CPU的運算操作數可以全部都是寄存器，也允許其中的一個操作數在memory中。所以，CPU可以通過其他指令來與memeory交互，這種架構的指令集相對復雜。舉一個例子如下：

add mem,reg

2、ARM指令集架構（Load-Store architecture）

　　CPU只允許用load/store指令來與memory(Flash、RAM)交互，而CPU的運算全部都是在寄存器中完成。也就是說，CPU運算的操作數只能全部來自寄存器，而且結構也只能保存在寄存器中。所以，倘若要把RAM兩個數據相加，結果還保存到內存中，就需要先將內存中的數據通過load指令將內存數據加載到寄存器中，計算結束后，再將保存結果寄存器的內容通過store指令存儲在RAM中。舉一個例子如下：

ADD R0,R1,R2

3、對比分析

　　兩種架構的區別在于CPU在處理數據時，對內存的訪問實機。

　　X86可以在處理數據時直接讀寫內存，但是ARM只能先將內存加載到寄存器才能讀，也只有借助寄存器尋址將運算結果寫到內存。

　　ARM架構這種LOAD/STORE架構要比X86的Register-Memory架構設計時容易的多，結果更簡單。　　

二、指令集比較

說明：本文的ARM指令集只指ARM指令集，不討論THUMB指令集

1、數據傳送指令

指令類功能:負責把數據、地址或立即數傳送到寄存器或存儲單元中

X86數據傳送指令
　　指令類型　　　　　　　　　　指 令 說 明
通用數據傳送指令　　　MOV（傳送）、PUSH（進棧）、POP（出棧）、XCHG（交換）
累加器專用傳送指令　　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（指針送寄存器和DS）、LES（指針送寄存器和ES）
標志寄存器傳送指令　　LAHF（標志送AH）、SAHF（AH送標志寄存器）、PUSHF（標志進棧）、POPF（標志出棧）

ARM數據傳送指令
　　指令類型　　　　　　　　　　　　　　　指 令 說 明
通用數據傳送指令　　　LDM（多數據裝載）、STM （多數據存儲）、LDR（單數據裝載）、STR（單數據存儲）、 SWP（單一數據交換）
標志寄存器傳送指令　 MRS（加載標志寄存器到寄存器） MSR（存儲寄存器到標志寄存器）

補充說明：
<1> LDR/STR指令的地址，一定是（基址寄存器+/-偏移量）構成的
<2> 出棧入棧指令：無專用指令，用LDM、STM指令替代

2、算術指令

指令類功能: 算術運算
X86算術指令
指令類型 指 令 說 明
加法指令 ADD（加法）、ADC（帶進位加法）、INC（加1）
減法指令 SUB（減法）、SBB（帶借位減法）、DEC（減1）、NEG（求補）、CMP（比較）
乘法指令 MUL（無符號數乘法）、IMUL（帶符號數乘法）
除法指令 DIV（無符號數除法）、IDIV（帶符號數除法）、CBW（字節轉換為字）、CWD（字轉換為雙字）

ARM算術指令
指令類型指 令 說 明
加法指令 ADC（帶進位加法）、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）
除法指令沒有專用除法指令，需要用函數來實現，通常是把除法轉化為乘法來運算
傳送類算術指令：MOV（傳送到目的寄存器）、MVN（傳送到目的寄存器）
補充說明：傳送類算術指令兼有傳送功能和數據運算功能

3、邏輯指令

指令類功能: 對字或字節執行邏輯運算
X86邏輯指令
　指令類型　　　　　　　　　　　　指 令 說 明
邏輯運算指令　　AND（邏輯與）、OR（邏輯或）、NOT（邏輯非）、XOR（異或）、TEST（測試）
移位指令　　　　SHL（邏輯左移）、SAL（算術左移）、SHR（邏輯右移）、SAR（算術右移）、ROL（循環左移）、ROR（循環右移）、RCL（帶進位循環左移）、RCR（帶進位右移）

ARM邏輯指令
　指令類型　　　　　　　　　　　　指 令 說 明
邏輯運算指令　　AND（邏輯與）、 BIC（清楚位）、EOR（邏輯異或）、ORR（邏輯或）
移位指令　　　　LSL（邏輯或算術左移）、ASL（邏輯或算術左移）、LSR（邏輯右移）、ASR（算術右移）、 ROR（循環右移）、RRX（帶擴展的循環右移）

4、串處理指令

指令類功能：處理存放存儲器里的數據串
X86串處理指令
指令類型　　　　　　　　指 令 說 明
指 令　　MOVS（串傳送）、CMPS（串比較）、SCAS（串掃描）、LODS（從串取）、STOS（存入串）

ARM串處理指令: 無

5、控制轉移指令

指令類功能：用來控制程序的執行流程
X86控制轉移
　指令類型　　　　　　　　　　　　　　 指 令 說 明
無條件轉移指令　　JMP（段間和段內轉移）
條件轉移指令 J　　 Z（結果為0（或相等）則轉移）、JS（結果為負則轉移）、JNS（結果為正則轉移）、JO（溢出則轉移）、JNO（不溢出則轉移）、JP（奇偶位為1則轉移）、JNP（奇偶位為0則轉移）
循環指令 LOOP（循環指令）、LOOPPZ/LOOPE（當為0或相等時循環指令）、LOOPNZ/LOOPNE（當不為0或不相等時循環指令）
子程序指令　　　　CALL（調用指令）、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控制轉移
指令類型　　　　　　　　　　指 令 說 明
無條件轉移指令　　B（跳轉）
條件轉移指令　　 BEQ（相等跳轉）、BNE（不等跳轉）等等
子程序指令　　　　BL（跳轉，并保存下一條指令的地址到LR）、MOV PC,LR（從函數返回）
軟中斷指令　　　 SWI（軟中斷）
補充說明： 　　　　ARM指令集沒有X86那樣專用的循環指令，這些指令都是通過B、BL指令結合其他的指令來實現的

6、相對跳轉指令對比

X86相對跳轉指令：

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

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

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

ARM相對跳轉指令:

　　　　　　　　B、

　　　　　　　　BL

說明：B、BL指令的偏移量都是24 位有符號數，左移兩位后為26位。有符號擴展為 32 位，表示的有效偏移為 26 位(+/-32MB的地址空間)。

7、絕對跳轉指令對比
X86絕對跳轉指令：

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

　　　　　　　　　jmp word ptr 內存單元（段內轉移）、

　　　　　　　　　jmp dword ptr 內存單元（段間轉移）

ARM絕對跳轉指令: 無專用的指令，需要用指令來模擬
　　　　　　　　<1> “ldr pc, =標號”（相應于B）

　　　　　　　　<2> ldr lr, =halt_loop（相應于BL）
　　　　　　　　　 ldr pc, =標號
　　　　　halt_loop:
　　　　　　　　　b halt_loop

三、指令集對比總結

1、ARM指令集更簡潔，比較少

　比如說除法指令、循環指令、堆棧專用指令等等都是是沒有的，靠其他的指令綜合來完成

2、ARM指令集功能更強大

　比如說b指令可以跳轉的范圍是前后32M

3、ARM每條指令都可條件執行

　這使得C語言跳轉語句可以用很簡便的方式實現

4、ARM指令集操作更有序

　　因為是LOAD/STORE結構，所以都是先從內存中加載數據到寄存器（load），然后通過寄存器處理，再把處理結果寫到內存中（store）。　　

5、ARM指令集都是4字節的

　　這樣便于流水線的實現，而且內存的分配更有序。在指令尋址上，也節省了兩位地址。