ARM存储系统概述与数据类型（ARM处理器架构模型——存储系统，上篇）

忆和熙

1719人浏览 · 2026-03-03 14:54:59

忆和熙 · 2026-03-03 14:54:59 发布

本文声明：内容来源于网络，进行整合/再创作；部分内容由AI辅助生成。

Tips：本节知识分为上、中、下篇讲述，可通过专栏查找到对应文章。

ARM 存储系统概述

ARM存储器系统可以使用简单的平板式地址映射机制（就像一些简单的单片机一样，地址空间的分配方式是固定的，系统中各部分都使用物理地址），也可以使用以下一些技术提供功能更为强大的存储系统。

系统可能提供多种类型的存储器件，如 Flash、ROM、SRAM 等。
Cache（高速缓冲存储器）技术。
写缓存（Write Buffer）技术。
虚拟内存和 I/O 地址映射技术。

大多数的系统可通过以下方法之一，实现对复杂存储系统的管理。

①使用Cache，缩小处理器和存储系统的速度差别，从而提高系统的整体性能。

②使用内存映射技术实现虚拟空间到物理空间的映射，这种映射机制对嵌入式系统非常重要。

通常嵌入式系统程序存放在ROM/Flash中，这样系统断电后程序能够得到保存。但是，ROM/Flash与SDRAM相比读写速度慢很多，而且基于ARM的嵌入式系统通常把异常中断向量表放在RAM中。利用内存映射机制，在系统上电时，将ROM/Flash映射为地址0，这样可以进行一些初始化处理；当这些初始化处理完成后，将SDRAM映射为地址0，并把系统程序加载到SDRAM中运行，这样可很好地满足嵌入式系统的需要。

③引入存储保护机制，增强系统的安全性。

④引入一些机制保证：将I/O操作映射成内存操作后，各种I/O操作能够得到正确的结果。

将I/O地址映射到内存空间后，在简单的无缓存系统中，CPU的读写能直接作用于设备，结果确定。但引入Cache和Write Buffer后，会引发两个核心问题：

CPU可能读写的是缓存中的旧数据而非设备真实状态（一致性问题），
对设备的多个控制命令可能因缓存和缓冲的优化而乱序到达（顺序性问题）。

为此，系统必须引入关键机制（主要是将I/O内存区域标记为不可缓存/强序访问，并在必要时使用内存屏障指令）绕过或严格管控缓存与缓冲，确保所有I/O操作都能以正确顺序产生确定性的设备效果。

ARM 的数据类型

Cortex-A53处理器采用ARMv8 64位架构，该架构支持整数、浮点数等数据类型。

基本数据类型

ARMv8架构支持的基本数据类型有以下5种：

Byte：字节，8bit
Halfword：半字，16bit（半字必须与2字节边界对齐）
Word：字，32bit（字必须与4字节边界对齐） 1 字 = 4 字节 = 4 × 8 = 32 bit
DoubleWord：双字，64bit
QueaWord：四字，128bit

ARM架构中，将存储器看作是序号为 0~ $2^{32-1}$ （32位）的线性字节阵列。其中每一个字节都有唯一的地址。字节可以占用任意位置。

半字占有2个字节的位置，该位置开始于偶数（2的倍数）字节地址（地址末位是0）。

长度为1个字的数据项占用一组4字节的位置，该位置开始于4的倍数的字节地址（地址末两位是00）。

关于ARMv8架构所支持数据类型的注意事项：

当将这些数据类型中的任意一种声明成 unsigned 类型时，n位数据值表示 0~ $2^{n-1}$ 的非负数，通常使用二进制格式。
当将这些数据类型中的任意一种声明成 signed 类型时，n位数据值表示 $-2^{n-1}$ ~ $2^{n-1}$ 的整数，使用二进制的补码格式。
数据类型指令的操作数具体字类型还是双字类型，由使用的寄存器类型决定。如“ADD W1, W0, #0x1”中的操作数“0x1”作为字类型数据处理；“ADD X1， X0, #0x1”中的操作数0x1”作为双字类型数据处理。
Load/Store 数据传输指令可以从存储器存取传输数据，这些数据可以是字节、半字、字。加载时自动进行字节或半字的零扩展或符号扩展。对应的指令分别为LDR/BSTRB （字节操作）、DRH/STRH （半字操作）、LDR/STR（字操作）。
ARM 指令编译后是 4 个字节（与字边界对齐）；Thumb 指令编译后是 2 个字节（与半字边界对齐）

浮点型数据

浮点运算使用在ARM硬件指令集中未定义的数据类型。尽管如此，ARM公司仍然在协处理器指令空间定义了一系列浮点指令。

通常这些指令的实现方式：

软件实现：全部可以通过未定义指令异常（兼容硬件不支持的协处理器指令）。
硬件实现：小部分也可由浮点运算协处理器FPA10完成。

ARM浮点指令集的替代方法：

ARM公司提供了C语言编写的浮点库（但Thumb代码只能使用浮点指令集）。该库支持IEEE标准的单/双精度格式。
C编译器有一个关键字标志（可能是编译器选项或pragma指令）来选择浮点处理方式的编译参数。与软件仿真（通过避免中断、译码和浮点指令仿真）相比，此关键字标志产生的代码既快又紧凑。