从 C 程序员的角度来看，ARM 架构之间的差异？

Question

我对 ARM 编程相当陌生。我注意到有几种架构，如 ARMv4、ARMv5、ARMv6 等。它们之间有什么区别？他们有不同的指令集或行为吗？

最重要的是，如果我为 ARMv6 编译一些 C 代码，它会在 ARMv5 上运行吗？那么在 ARMv6 上运行的 ARMv5 代码呢？或者如果我在编写内核汇编代码，我是否只需要担心差异？

Answer 1

在一般架构之间移植时要检查的非常快速和脏的区域列表：

• 字节序：联合使用、数据类型转换、位域、数据共享
• 对齐：对齐要求以及可能的未对齐访问的性能特征
• 内存模型：弱 vs 强？
• 多核：一致性如何工作？
• 杂项：有符号与无符号数据类型、数据结构打包、堆栈使用、枚举数据类型...

Answer 2

ARM 世界有点混乱。

对于 C 程序员来说，事情很简单：所有 ARM 架构都提供常规的 32 位平面寻址编程模型。只要您使用 C 源代码，您可能会看到的唯一区别是字节顺序和性能。大多数 ARM 处理器（甚至是旧型号）都可以是 big-endian 和 little-endian；然后由逻辑板和操作系统做出选择。好的 C 代码 endian 中性：无论平台字节序如何，它都能正确编译和工作（endian 中性有利于可靠性和可维护性，但也有利于性能：非中性代码是访问相同的代码数据通过不同大小的指针，这对编译器用于优化代码的严格别名规则造成严重破坏。

如果考虑二进制兼容性（即重用已编译一次的代码），情况就完全不同了：

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• 有几个指令集：
  1. 带有 26 位程序计数器的原始 ARM 指令集（非常古老，现在不太可能遇到）
  2. 带有 32 位程序计数器的 ARM 指令集（通常称为“ARM 代码”）
  3. Thumb 指令集（16 位简化操作码）
  4. Thumb-2 指令集（带扩展的 Thumb）

一个给定的处理器可以实现多个指令集。最新的只知道 ARM 代码的处理器是 StrongARM，它是 ARMv4 的代表，已经很老了（15 年）。 ARM7TDMI（ARMv4T 架构）既了解 ARM 又了解 Thumb，几乎所有后续的 ARM 系统都了解，除了 Cortex-M。 ARM 和 Thumb 代码可以在同一个应用程序中混合在一起，只要在约定改变的地方插入适当的胶水；这称为 thumb interworking，可以由 C 编译器自动处理。

Cortex-M0 只知道 Thumb 指令。它知道一些扩展，因为在“普通”ARM 处理器中，操作系统必须使用 ARM 代码（用于处理中断）；因此，Cortex-M0 知道一些 Thumb-for-OS 的东西。这对于应用程序代码无关紧要。

另一个 Cortex-M 只知道 Thumb-2。 Thumb-2大部分向后兼容 Thumb，至少在汇编级别。

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• 某些架构添加了额外的指令。

因此，如果使用编译器开关编译某些代码，告知这是针对 ARMv6 的，那么编译器可能会使用 ARMv6 具有但不是 ARMv5 的少数指令之一。这是一种常见情况，几乎在所有平台上都会遇到：例如，如果您在 PC 上使用 GCC 编译 C 代码，使用 -march=core2 标志，则生成的二进制文件可能无法在较旧的 Pentium 处理器上运行。

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• 有多种调用约定。

调用约定是一组规则，用于指定函数如何交换参数和返回值。处理器只知道它的寄存器，没有堆栈的概念。调用约定说明参数在哪些寄存器中，以及它们是如何编码的（例如，如果有一个char 参数，它进入寄存器的低 8 位，但调用者应该清除/符号扩展高24位，还是不是？）。它描述了堆栈结构和对齐方式。它规范了结构字段的对齐条件和填充。

ARM 有两个主要约定，称为 ATPCS（旧）和 AAPCS（新）。它们在浮点值的主题上有很大的不同。对于整数参数，它们大多相同（但 AAPCS 需要更严格的堆栈对齐）。当然，约定因指令集和 Thumb 互通的存在而异。

在某些情况下，可能有一些同时符合 ATPCS 和 AAPCS 的二进制代码，但这并不可靠，并且不匹配时不会发出警告。所以底线是：你不能在使用不同调用约定的系统之间实现真正的二进制兼容性。

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• 有可选的协处理器。

ARM 架构可以使用可选元素进行扩展，这些元素将自己的指令添加到核心指令集中。 FPU 就是这样一个可选的协处理器（在实践中很少遇到）。另一个协处理器是 NEON，它是一些较新的 ARM 处理器上的 SIMD 指令集。

使用协处理器的代码不会在没有该协处理器的处理器上运行，除非操作系统捕获相应的操作码并在软件中模拟协处理器（这或多或少会在使用浮点参数时发生） ATPCS 调用约定，它是慢）。

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总而言之，如果你有 C 代码，然后重新编译它。不要尝试重用为其他架构或系统编译的代码。

Answer 3

将 ARM 与 ARM 的关系想象为 wintel 计算机与 intel mac。假设即使您在两台计算机上都有相同的英特尔芯片（系列），那么您的部分 C 代码可以编译一次并在两个处理器上运行得很好。您的程序发生变化的位置和原因与英特尔处理器无关，而与它周围的芯片和主板以及在这种情况下的操作系统有关。

对于 ARM 与 ARM，大多数差异不在于内核，而在于围绕内核的供应商特定逻辑。所以这是一个加载的问题，如果你的 C 代码是一些调用标准 api 调用的应用程序，那么它应该在 arm 或 intel 或 powerpc 或其他上编译。如果您的应用程序开始与片上或板载外围设备通信，那么无论处理器类型是什么，一块板，一块芯片都会有所不同，因此您的 C 代码必须为该芯片或主板编写。如果您为 ARMv6 编译二进制文件，它可以并且将有被认为在 ARMv4 上未定义的指令，并将导致异常。如果您为 ARMv4 编译，ARMv6 应该可以正常运行。

充其量，如果您处于此应用程序领域，那么您可能会看到的只是性能差异。其中一些与您在编译器选项中的选择有关。有时你可以帮助你的代码。我建议尽可能避免除法和浮点。我不喜欢乘法，但如果被推，我会乘法而不是除法。 x86 让我们被非对齐访问宠坏了，如果你现在从对齐 I/O 开始，它会在你进入其他也喜欢对齐访问的芯片时为你节省时间，或者你会被各种操作系统和引导加载程序将 ARM 配置为做出反应，这些都不是您在 x86 上习惯的。同样保持这个习惯，你的 x86 代码会运行得更快。

获取一份ARM ARM（google：ARM Architectural Reference Manual，你可以在很多地方免费下载，我不知道当前的rev是什么，rev I什么的）。浏览 ARM 指令集，发现大多数指令在所有内核上都受支持，并且随着时间的推移添加了一些指令，例如除法和字节交换等。你会发现核心之间没有什么好害怕的。

从系统的角度思考，wintel 与 intel mac。 ARM 不制造芯片，他们制造和许可内核。大多数在其芯片中使用 ARM 的供应商都有自己的特殊调味料。因此，这就像 wintel 与 mac，中间有相同的处理器，但在处理器接触和必须使用的所有东西方面完全不同。它并不止于 ARM 内核，ARM 销售外设、浮点单元、缓存等。例如，很少有 ARMv4 是相同的。如果您的代码涉及差异，您将遇到问题，如果您不会。

对于芯片的臂部分，除了 ARM ARM 之外，还有 TRM（技术参考手册）。但是，如果您使用的组件的 trm 错误，可能会让您头疼。 TRM 可能有寄存器描述和 ARM ARM 没有的其他类似内容，但如果您生活在应用程序空间中，您可能不需要它们中的任何一个，也不需要 ARM ARM。如果没有别的，ARM ARM 非常适合用于教育目的。了解您可能不想划分或使用未对齐访问的原因。

Answer 4

如果差异对您来说真的那么重要，您应该能够从 ARM 的公共文档中弄清楚。

但是用高级语言（即使它只是和 C 一样“高级”）编写的全部意义在于不用担心。你要做的就是重新编译。即使在内核中，也不需要用汇编语言编写太多内容；当你确实必须在汇编中编写一些东西（即不仅仅是为了获得最大性能），这通常不仅仅是因为CPU的选择（例如，什么是直接内存映射的？）。

Answer 5

只要您坚持使用用户代码（内核代码当然不同），ARM 本身就相当兼容。在托管操作系统环境中，您可能会坚持使用 ARMv5（ARM926 处理器）。

最大的不同来自：

1. 缓存行为有很大不同。一些 ARM 上的缓存甚至是虚拟解决的，这会使进程切换变得痛苦。
2. FPU 有多种类型（VFP、NEON 等等！）。许多较小的处理器甚至没有 FPU。
3. Thumb 模式发生了巨大变化。 ARMv5 之间的 Thumb 模式不可移植到 Thumb2 (ARMv6+)，也不向后兼容。