Quelltext der Seite ARM-Befehlssatz

== Allgemeines ==

Der ARM-Befehlssatz (ARM: Advanced RISC Machine) ist eine Familie von Architekturen für Prozessoren, die auf dem Prinzip der Reduced Instruction Set Computing (RISC) basieren. Hier sind einige wesentliche Punkte über den ARM-Befehlssatz:

=== Überblick ===
*RISC-Architektur: ARM-Prozessoren verwenden eine RISC-Architektur, die darauf abzielt, die Anzahl der Zyklen pro Befehl zu minimieren, was zu einer höheren Effizienz führt.
*Energieeffizienz: ARM-Prozessoren sind bekannt für ihre Energieeffizienz, weshalb sie häufig in mobilen Geräten wie Smartphones und Tablets eingesetzt werden.
*Breite Anwendung: ARM-Prozessoren finden auch Anwendung in eingebetteten Systemen, IoT-Geräten, Servern und sogar in Supercomputern.
=== Befehlssatz ===
*32-Bit und 64-Bit: ARM bietet sowohl 32-Bit (ARMv7) als auch 64-Bit (ARMv8) Architekturen an.
*Thumb-Befehlssatz: ARM bietet auch den Thumb-Befehlssatz an, der eine komprimierte Form der Standardbefehle verwendet, um Speicherplatz zu sparen und die Effizienz zu erhöhen.
*NEON: Eine Erweiterung des ARM-Befehlssatzes für SIMD (Single Instruction, Multiple Data) zur Beschleunigung von Multimedia- und Signalverarbeitungsanwendungen.
=== Register ===
*Registerbank: ARM-Prozessoren verfügen über eine große Anzahl von Registern, typischerweise 16 allgemeine Register (R0-R15) in ARMv7.
*Statusregister: Es gibt spezielle Statusregister wie CPSR (Current Program Status Register) und SPSR (Saved Program Status Register), die Zustandsinformationen speichern.
=== Anwendungsfälle ===
*Mobile Geräte: Smartphones, Tablets
*Eingebettete Systeme: Mikrocontroller, Automobilanwendungen
*Server: ARM-basierte Serverprozessoren wie die von AWS Graviton
*IoT: Verschiedene IoT-Geräte und Sensoren
=== Vorteile ===
*Leistungsaufnahme: Geringe Leistungsaufnahme, ideal für batteriebetriebene Geräte.
*Kosten: Kosteneffizient in der Herstellung.
*Skalierbarkeit: Skalierbar von einfachen Mikrocontrollern bis hin zu leistungsstarken Serverprozessoren.

== ARMv7 ==

ARMv7 ist eine weit verbreitete Architektur, die viele moderne mobile und eingebettete Systeme antreibt. Hier sind einige wichtige Aspekte der ARMv7-Architektur:

=== Überblick ===
*32-Bit Architektur: ARMv7 ist eine 32-Bit-Architektur, die hauptsächlich in Smartphones, Tablets, eingebetteten Systemen und anderen energieeffizienten Geräten eingesetzt wird.
*RISC-Prinzipien: Wie andere ARM-Architekturen basiert auch ARMv7 auf den Prinzipien der Reduced Instruction Set Computing (RISC), die eine einfache und effiziente Ausführung von Befehlen ermöglichen.
Varianten
*ARMv7 ist in verschiedene Profile unterteilt, um unterschiedliche Anwendungsfälle abzudecken:
**ARMv7-A: Für "Application" Prozessoren, die in leistungsfähigen Geräten wie Smartphones und Tablets verwendet werden.
**ARMv7-R: Für "Real-time" Anwendungen, die in Echtzeitsystemen und Automobilanwendungen zum Einsatz kommen.
**ARMv7-M: Für "Microcontroller" Anwendungen, die in eingebetteten Systemen und IoT-Geräten genutzt werden.
=== Register und Modus ===
*Registerbank: ARMv7 verfügt über 16 allgemeine 32-Bit-Register (R0-R15), wobei R15 als Program Counter (PC) dient.
*Statusregister: Das CPSR (Current Program Status Register) speichert Zustandsinformationen wie Flags und Modi.
*Betriebsmodi: ARMv7 unterstützt verschiedene Betriebsmodi wie User, FIQ (Fast Interrupt Request), IRQ (Interrupt Request), Supervisor, *Abort, Undefined, und System-Modus.
=== Befehlssatz ===
*Thumb und Thumb-2: ARMv7 unterstützt den Thumb-Befehlssatz, der 16-Bit-Befehle verwendet, um Speicherplatz zu sparen. Thumb-2 führt 32-Bit-Befehle ein, um die Effizienz weiter zu steigern.
*NEON: Eine SIMD-Erweiterung (Single Instruction, Multiple Data) für Multimedia- und Signalverarbeitungsanwendungen.
*VFP: Vector Floating Point (VFP) ist eine Erweiterung für Gleitkommaberechnungen.
=== Speicherverwaltung ===
*MMU: Die Memory Management Unit (MMU) unterstützt virtuelle Speicherverwaltung und Paging.
*MPU: Die Memory Protection Unit (MPU) bietet Schutzmechanismen für Speicherbereiche, insbesondere in eingebetteten Systemen.
=== Sicherheitsfunktionen ===
*TrustZone: ARMv7-A implementiert die TrustZone-Technologie, die eine sichere Ausführungsumgebung schafft, um sensible Daten und Code zu schützen.
=== Anwendungsbereiche ===
*Mobile Geräte: ARMv7-Prozessoren sind in vielen Smartphones und Tablets zu finden, insbesondere in älteren Modellen.
*Eingebettete Systeme: Weit verbreitet in Mikrocontrollern und eingebetteten Systemen, die in einer Vielzahl von Industrien verwendet werden.
*Automobilanwendungen: ARMv7-R-Prozessoren sind in Echtzeitsystemen und Automobilanwendungen zu finden.
=== Typische ARMv7 Prozessoren ===
*Cortex-A Serie: Beispielsweise Cortex-A8 und Cortex-A9, die in vielen Smartphones und Tablets verwendet wurden.
*Cortex-R Serie: Für Echtzeitanwendungen, z.B. in Automobil-ECUs.
*Cortex-M Serie: Für Mikrocontroller und eingebettete Systeme, wie der weitverbreitete Cortex-M3.
=== Vorteile ===
*Energieeffizienz: ARMv7-Prozessoren sind für ihre geringe Leistungsaufnahme bekannt, was sie ideal für mobile und eingebettete Anwendungen macht.
*Flexibilität: Die verschiedenen Profile (A, R, M) bieten Flexibilität für unterschiedliche Anwendungsanforderungen.
*Ökosystem: Ein großes Ökosystem von Entwicklertools, Bibliotheken und Betriebssystemen unterstützt ARMv7.

== ARMv8 ==
ARMv8 ist eine bedeutende Weiterentwicklung der ARM-Architektur und bringt viele neue Funktionen und Verbesserungen gegenüber seinen Vorgängern, insbesondere ARMv7. Hier sind einige wichtige Aspekte der ARMv8-Architektur:
=== Überblick ===
*64-Bit Architektur: ARMv8 führt die AArch64-Architektur ein, die native 64-Bit-Verarbeitung unterstützt. Dies ermöglicht die Adressierung von mehr Speicher und eine höhere Rechenleistung.
*Abwärtskompatibilität: ARMv8 unterstützt auch die AArch32-Architektur, die abwärtskompatibel zu ARMv7 ist. Dies ermöglicht die Ausführung älterer 32-Bit-Software auf neuen 64-Bit-Prozessoren (Wird bei Raspberry Pi 5 nicht unterstützt).

=== Register und Modus ===
*Erweiterte Register: In der AArch64-Architektur gibt es 31 allgemeine 64-Bit-Register (X0-X30) sowie ein spezielles Register (XZR) für Null-Operationen.
*Program Counter: Das Register PC (Program Counter) ist in ARMv8 ebenfalls 64-Bit breit.
*Statusregister: Das PSTATE-Register (Program Status Register) speichert Zustandsinformationen wie Flags und Modi.
=== Befehlssatz ===
*Verbesserte Instruktionen: ARMv8 bietet eine Vielzahl neuer und verbesserter Instruktionen für höhere Effizienz und Leistung.
*SIMD und Kryptografie: Erweiterungen wie NEON für SIMD (Single Instruction, Multiple Data) und spezielle Kryptografie-Instruktionen sind integriert.
*Load/Store Architektur: Wie bei früheren ARM-Architekturen basiert ARMv8 auf einer Load/Store-Architektur, bei der Speicherzugriffe nur über spezifische Load- und Store-Instruktionen erfolgen.
=== Modi und Ausführungszustände ===
*EL0 bis EL3: ARMv8 führt verschiedene Ausführungsstufen (Exception Levels) ein, von EL0 (Nutzer-Modus) bis EL3 (Monitor-Modus), was eine feinere Kontrolle der Privilegien und Sicherheitsmechanismen ermöglicht.
*TrustZone: ARMv8 integriert die TrustZone-Technologie, die eine sichere Ausführungsumgebung schafft, um sensible Daten und Code zu schützen.
=== Speicherverwaltung ===
*Große Adressräume: Mit der 64-Bit-Architektur können Adressräume von bis zu 2^64 Bytes genutzt werden.
*Erweiterte MMU: Die Memory Management Unit (MMU) ist verbessert und unterstützt erweiterte Paging-Mechanismen und größere Seitentabellen.
=== Sicherheitsfunktionen ===
*Pointer Authentication: ARMv8.3-A führt Pointer Authentication Codes (PACs) ein, um vor Return-Oriented Programming (ROP) und anderen speicherbezogenen Angriffen zu schützen.
*Memory Tagging: ARMv8.5-A führt Memory Tagging Extension (MTE) ein, um Speicherfehler und -verletzungen zu erkennen und zu verhindern.
=== Anwendungsbereiche ===
*Server und Rechenzentren: ARMv8-Prozessoren werden zunehmend in Servern und Cloud-Infrastrukturen eingesetzt, z.B. AWS Graviton2.
*High-End Smartphones und Tablets: Viele moderne Smartphones und Tablets nutzen ARMv8-basierte Prozessoren wegen ihrer hohen Leistung und Effizienz.
*Embedded und IoT: ARMv8 findet auch Anwendung in eingebetteten Systemen und IoT-Geräten, die erweiterte Rechenleistung und Sicherheitsfunktionen erfordern.
=== Weiterentwicklungen ===
*ARMv8.1-A bis ARMv8.6-A: Diese Subsequenten Versionen führen zusätzliche Optimierungen und Funktionen ein, wie z.B. verbesserte Virtualisierung und erweiterte Sicherheitsfunktionen.