嵌入式养成计划-49----ARM--计算机相关理论--ARM相关内容

一百二十三、计算机相关理论

123.1 计算机的组成

• 目前的计算机都还是 冯·诺依曼体系 ，也就是由：输入、输出、运算器、存储器、控制器，这个五个部分构成。
• 输入：Input，常见的输入设备，比如鼠标，键盘啥的
• 输出：Output，常见的输出设备，比如音响（喇叭），显示器啥的
• 运算器：ALU（Arithmetic Logical Unit），可以进行算术运算和逻辑运算，就是用来计算的
• 存储器：用来存放数据的东西，存储器的体系为金字塔型，越往下读写速率越慢，存储空间越大，每 bit 价格越便宜，从上往下依次是
  • 最上面是 register（寄存器），
  • 然后是 L1cache、L2cache、L3cache（一般是三级cache，有些体系的计算机可能会用两级cache，早期的计算机有些是没有cache，有些是一级cache）、
  • main memory（主存，也被称为内存，就是内存条的那个内存）、
  • Auxiliary storage（辅存，一般是外接的存储器，比如硬盘，之前还有磁盘、磁带、光盘啥的）
• 控制器：CU（Control Unit），其实就是个有限状态机，会根据每条指令的二进制代码，以及里面的状态码去分支执行不同的操作，这些都是逻辑门进行控制的。所以并没有啥译码功能，也就是根据传过来的不同指令去开不同的通道执行不同的功能罢了

123.2 程序编译的过程

• 预处理，编译，汇编，链接

  预处理：将程序中所有以#开头的内容展开到当前文件中 gcc -E 1.c -o 1.i
  编译：检查语法错误，生成汇编程序 gcc -S 1.i -o 1.s
  汇编：将汇编程序编译为二进制程序 gcc -c 1.s -o 1.o
  链接：将程序中用到的一些库链接到程序中，生成二进制可执行文件 gcc 1.o -o a.out

• 为啥需要编译：

  • CPU只能识别二级制的0和1，但其实它0和1都不识别，只能识别高电位和低电位，因此具象为0和1。
  • 想让CPU按照我们写的高级语言代码执行，那就需要将高级语言逐步转化为机器码，因此需要先生成汇编文件，然后根据汇编文件生成对应的二进制文件。
  • 而不同体系的CPU的汇编代码也怎么一致，因为里面CPU的架构不一样。
    

123.3 指令与指令集

• 指令有机器指令和汇编指令之分，不同体系的CPU之间它们的风格和内容也不一样。
  • 机器指令：由二进制0和1组成的代码，计算机可以通过0/1转换为的高电位低电位进行识别执行；RISC风格指令为定长的，CISC风格指令是变长的。
  • 汇编指令：由机器指令进行符号化抽象的结果。机器码的0和1不方便人的记忆与操作，故符号化一下方便人的使用。
• 指令集：指令的集合，指令集中一般需要包含 运算类指令、程序流控制类指令、存储器访问类指令 这三种。

123.4 RISC（Reduced Instruction-Set Computer 精简指令集）和CISC（Complex Instruction Set Computer 复杂指令集）

123.4.1 RISC

• 简介：RISC的指令系统相对简单，它只要求硬件执行很有限且最常用的那部分指令，大部分复杂的操作则使用成熟的编译技术，由简单指令合成。目前在中高档服务器中普遍采用这一指令系统的CPU，特别是高档服务器全都采用RISC指令系统的CPU。
  精简指令集是选取了一些比较简单、使用频率比较高的指令组成的指令集。
• 特点：
  1. 指令定长：即每条机器指令所占的 bit 长度固定。
  2. 执行周期固定：一般是按照流水线的模式执行指令。比如 MIPS 的 五级流水线模型 为IF、ID、EX、MEM、WB，分别是 取指令、译码、执行、访问存储器、写回。有些指令可能不会执行某些周期，但是也要经过这一周期，就跟小学生排队打菜一样，一荤 一素 一米 一汤 一水果，这五个中某些可以不要，但是都要从前往后经过这些窗口。
  3. 基于精简指令集设计的CPU核心成本、功耗、体积更低，但是实现的功能也相对简单。

123.4.2 CISC

• 简介：在CISC微处理器中，程序的各条指令是按顺序串行执行的，每条指令中的各个操作也是按顺序串行执行的。顺序执行的优点是控制简单，但计算机各部分的利用率不高，执行速度慢。其实它是英特尔生产的x86系列（也就是IA-32架构）CPU及其兼容CPU，如AMD、VIA的。即使是现在新起的X86-64（也被称为AMD64）都是属于CISC的范畴。
  CISC早期的计算机部件比较昂贵，主频低，运算速度慢。为了提高运算速度，人们不得不将越来越多的复杂指令加入到指令系统中，以提高计算机的处理效率，这就逐步形成复杂指令集计算机体系。
• 特点：
  • 指令长度不固定：比如说 x86 架构，最短的指令NOP，只有一个 byte，而最长的指令却足有 15byte。
  • 执行周期不固定：每条指令中的各个操作也是按顺序串行执行的，因为最长的指令所需要的周期比较长，最短的比较短，所以就没有让二者看齐，不然会造成最长的指令没有执行完足够的功能，或者最短的指令浪费太久的时间。
  • 复杂指令集设计的CPU核心实现的功能更为复杂，但是功耗、成本都会更高。

123.5 流水线模型

• 此处以MIPS的五级流水线为例
  
  
• 忽略第一个图里面说的单周期数据通路，多周期数据通路是在上面再接几根线，保证数据的读写不会错乱，就先不上图了

一百二十四、ARM相关内容

• ARM的流水线更抽象，直接整合为三个阶段：取指令，译码，执行。执行里面包括了访问存储器和写回。。。只能说，挺无奈

124.1 ARM 发展史

直接上链接：ARM发展史

124.2 ARM架构

• 不同版本的指令集就是不同的架构

  ARMV1-ARMV6：已经被淘汰
  ARMV7架构：32位架构，支持32位指令集
  ARMV8架构：64位架构，支持64位指令集，并且向下兼容32位指令
  ARMV9架构：64位架构，支持64位指令集

124.3 ARM内核

• 基于不同的ARM架构设计出来的不同的处理器核心叫做不同的ARM内核

  arm7/arm9/arm11
  cortex-A7 ARMV7
  cortex-A53 ARMV8
  cortex-A55 ARMV8
  cortex-A77 ARMV8
  cortex-A78 ARMV8
  cortex-x1 ARMV8
  cortex-A710 ARMV9
  cortex-A510 ARMV9

124.4 SOC(system on chip 片上系统)

• ARM公司只进行技术授权。将自己的IP授权给各个半导体公司。半导体公司根据ARM的授权，在CPU核心外围设计了一些外围电路和设备，集成在一个芯片上，这个芯片就被成为SOC。

• SOC = CPU + 外设 + 总线

  公司 SOC名称 内核 架构
  ST STM32MP157A cortex-A7 ARMV7
  三星 S5P6818 cortex-A53 ARMV8
  海思 麒麟9000 cortex-A77 ARMV8
  高通 骁龙888 cortex-x1 ARMV8

124.5 ARM的产品分步

124.5.1 Cortex-A系列

• Cortex-A 系列的核心是 ARM 处理器中性能最强的、最完善的处理器。属于高端处理器
• 在基于 Cortex-A 处理器为核心的开发板上可以搭载 linux / 鸿蒙 等标准化操作系统
  

124.5.2 Cortex-R系列

• Cortex-R 系列处理器追求系统的实时性能。对数阶的实时性要求高的场景下使用 Cortex-R 系列处理器汽车、军工
  

124.5.3 Cortex-M系列

• 属于 ARM 处理器中比较低端的芯片处理器，工作主频一般在 24M-256MHz 之间
• Cortex-M 系列处理器一般不跑操作系统，主要执行一些裸机程序
• Cortex-M 系列处理器可以搭载一些轻量级的实时系统 FreeRtos
  

124.5.4 SecurCore系列

• 用于对安全性能要求比较高的场景
  

124.6 ARM数据约定

• 一些数据大小的表述

  ARM 约定：
  Byte 8 bits.
  Halfword 16 bits.
  Word 32 bits.
  Doubleword 64 bits.

• 大部分ARM core 提供：
  ARM 指令集（32-bit）
  Thumb 指令集（16-bit ）

• Cortex-A处理器
  16位和32位Thumb-2指令集
  16位和32位ThumbEE指令集

124.7 ARM的工作模式

• ARM 有7种基本工作模式:

  User : 非特权模式，大部分任务执行在这种模式

  FIQ : 当一个高优先级（fast) 中断产生时将会进入这种模式
  IRQ : 当一个低优先级（normal) 中断产生时将会进入这种模式
  Supervisor : 当复位或软中断指令执行时将会进入这种模式
  Abort : 当存取异常时将会进入这种模式
  Undef : 当执行未定义指令时会进入这种模式

  System : 使用和User模式相同寄存器集的特权模式

• Cortex-A特有模式：
  Monitor : 是为了安全而扩展出的用于执行安全监控代码的模式；也是一种特权模式。

HYP：虚拟化模式，当一个硬件上运行两种OS内核时进入这种模式。

124.8 存储器

124.8.1 存储器的金字塔模型

越往下读写速率越慢，存储空间越大，每 bit 价格越便宜，从上往下依次是，

• 最上面是 register（寄存器），
• 然后是 L1cache、L2cache、L3cache（一般是三级cache，有些体系的计算机可能会用两级cache，早期的计算机有些是没有cache，有些是一级cache）、
• main memory（主存，也被称为内存，就是内存条的那个内存）、
• Auxiliary storage（辅存，一般是外接的存储器，比如硬盘，之前还有磁盘、磁带、光盘啥的）

124.8.2 ARM v7架构下的寄存器组织

• ARM 有37个32-Bits长的寄存器：

  1 个用作PC( program counter)
  1个用作CPSR(current program status register)
  5个用作SPSR(saved program status registers)
  30 个通用寄存器

• Cortex体系结构下有40个32-Bits长的寄存器：

• Cortex-A多出3个寄存器

  Monitor 模式  r13_mon ,  r14_mon,  spsr_mon

• 当前处理器的模式决定着哪组寄存器可操作.

  • 任何模式都可以存取：

    对应的R0-R12子集
    对应的 R13 (the stack pointer, SP)、r14 (the link register, LR)、 R15 ( the program counter, PC)
    对应的CPSR(current program status register, CPSR)

  • 特权模式 (除system模式) 还可以存取：

    对应的 SPSR (saved program status register)

124.8.3 ARMV8架构寄存器组织

124.8.4 ARMV7架构下一些具有特定功能的寄存器

• R13寄存器（the stack pointer, SP）

  R13 寄存器又叫 SP（栈指针寄存器），这个寄存器内部保存栈顶的地址
  一般在内存中分出一部分内存当作栈来使用，SP寄存器时钟保存栈顶空间的地址
  栈一般存放一些临时数据，也可以用于保护现场

• R14寄存器（the link register, LR）

  R14寄存器又被称为链接寄存器，当程序在实现跳转的时候,LR寄存器中保存当前跳转指令下一条指令的地址。
  方便实现程序的返回
  
  程序的跳转实现：
      PC->跳转之后指令的地址
  程序的返回：
      PC=LR

• r15寄存器（the program counter, PC）

  R15 寄存器又被称为 PC 寄存器（程序计数器，或者指令指针）
  这个寄存器始终保存马上要进行取址的指令的地址，当一条指令执行快结束之后PC寄存器的数值会自动向下+4
  另外，在特定情况下可以手动修改PC的值进行程序的跳转

• CPSR寄存器(current program status register, CPSR)

  CPSR：程序状态寄存器
  这个寄存器中保存当前程序的运行状态，比如工作模式等信息

  

• SPSR寄存器(saved program status register)

  SPSR寄存器可以用于保存程序某一时刻的状态
  比如当发生异常之后，处理器的工作模式要切换到对应的异常模式去处理异常，
  这样CPSR的数值会发生对应的改变
  在处理完异常结束后，我们需要将CPSR的值修改为没有发送异常之前的状态，
  这个时候就可以将SPSR保存的异常发送之前的状态赋值给CPSR