ARM 架构与技术综述

目录

[认识 ARM](#认识 ARM)

[ARM 发展历史](#ARM 发展历史)

指令集

[ARM 公司产品分类](#ARM 公司产品分类)

[ARM 体系结构](#ARM 体系结构)

数据类型约定

[处理器的 32 位和 64 位含义](#处理器的 32 位和 64 位含义)

指令集

[ARM 处理器的工作模式](#ARM 处理器的工作模式)

[CPU (内核) 组成](#CPU (内核) 组成)

寄存器

时钟

---

认识 ARM

• ARM 可以指：

  1. 一家公司。
  2. 一种技术。
  3. 一系列处理器。

• 架构：ARM 架构包括：

  • arm-v4
  • arm-v5
  • arm-v6
  • arm-v7 (32 位)
  • arm-v8 (64 位)

  这些架构定义了处理器所支持的指令集。

• 内核：

  • Cortex-A 系列（例如 A9, A53, A73, A77）
  • ARM 将其内核授权给芯片制造商，后者在此基础上添加额外的功能和外设，从而制造出 SoC（片上系统）。

• SoC (System On Chip)：

  • 示例包括 S5P6818、Snapdragon 855（Qualcomm）、Kirin 990（Hisilicon）等。

• S5P6818：

  • S5P6818 是一个具体的 SoC 示例，但具体细节需要查阅资料来确认。

ARM 发展历史

• 1978年：CPU 公司（Cambridge Processing Unit，剑桥处理单元）成立。
• 1979年：Acorn Computer 成立，从事个人计算机组装业务。
• 1985年：开发出 32 位、8 MHz 的 RISC 架构处理器，该芯片被称为 ARM（Acorn RISC Machine）。
• 1990年 ：
  • 苹果公司出资 150 万英镑，VLSI 技术公司出资 25 万英镑。
  • 12 名工程师加上技术专利共同创立 ARM 公司（Advanced RISC Machines）。
  • ARM 公司本身不直接生产芯片，而是授权其技术并提供解决方案。
• 2016年：日本软银集团收购 ARM。

指令集

• 精简指令集 (RISC) ：选择了一些较为简单且使用频率高的指令。
  • 指令宽度固定，多为单周期指令。
  • 例如，如果有一个加法运算器，则没有乘法运算器，计算 3 * 3 就需要通过 3 + 3 + 3 来实现。
• 复杂指令集 (CISC)：注重指令的功能性，指令周期和宽度不固定。

eg精简：可以编译后，用反汇编查看代码指令。

编译源代码：

arm-linux-gnueabi-gcc 1.c -o a.out

检查文件属性:

file a.out

反汇编 ELF 文件:

arm-linux-gnueabi-objdump -D a.out > a.dis

ARM 公司产品分类

• Cortex-A ：针对高端的基于虚拟内存的操作系统和应用程序设计。
  • 高通、联发科、海思、三星、飞思卡尔等公司的产品。
• Cortex-R ：针对实时系统的高性能解决方案。
  • 例如汽车电子、照相机等。
• Cortex-M ：针对成本和功耗敏感的 MCU 和终端应用。
  • 通常不运行操作系统，或者运行 RTOS 如 FreeRTOS、μC/OS-II、LiteOS 等。
  • 意法半导体 (ST) 的 STM32 系列等。

ARM 体系结构

• ARM-v8 (A)：Cortex-A53 (8 核) → S5P6818 → 主频 1.4 GHz

数据类型约定

• ARM-v7 架构 ：32 位处理器
  • char：8 位
  • halfword：16 位
  • word：32 位
  • doubleword：64 位 (Cortex-A)
• ARM-v8 架构 ：64 位处理器
  • 向下兼容 32 位
  • char：8 位
  • halfword：16 位
  • word：32 位
  • doubleword：64 位 (Cortex-A)
  • quadword：128 位 (ARM-v8)

处理器的 32 位和 64 位含义

• 32 位：一条指令可以处理 32 位的数据。
• 64 位：一条指令可以处理 64 位的数据。

指令集

• ARM-v7 架构 ：
  • ARM 指令集 (32 位)
  • Thumb 指令集 (16 位)
• ARM-v8 架构 ：
  • 向下兼容 ARM-v7 架构
  • ARM 指令集：A64, A32
  • Thumb 指令集：T32, T16
  • 不论是 A64 还是 A32，每条指令都占用 32 位空间。
  • 不论是 T32 还是 T16，每条指令都占用 16 位空间。

ARM 处理器的工作模式

• ARM7 至 ARM11 有七种基本工作模式：

  • User：非特权模式，大多数任务在此模式下执行。
  • FIQ：当发生高优先级中断时进入该模式。
  • IRQ：当发生低优先级中断时进入该模式。

FIQ和IRQ打断当前正在做的事去做其他的事情，做了再回来继续做自己的事情。鼠标键盘等都是这样实现的。（Linux内核会有中断，驱动写中断驱动代码）

• • Supervisor (SVC)：当复位或软中断指令执行时进入该模式。

（任务的切换会切入这个模式，权限最高的模式，刚启动的时候在这个模式下，权限高，可以做一些核心的操作。进行系统调用的时候会切换这个模式。）

• • Abort：当指令存取异常时进入该模式。
  • Undef：当执行未定义指令时进入该模式。
  • System：具有与 User 模式相同寄存器集的特权模式。

保证不同任务每次调用同一个函数都是从头开始。

• Cortex-A 系列特有的模式：

  • Monitor：为了安全性而扩展出来的用于执行安全监控代码的模式；也是一种特权模式。

特定的模式拥有特定的权限,执行特定的代码,完成特定的功能

CPU (内核) 组成

• 运算器：执行加法等运算。
• 控制器：控制指令执行流程。
• 寄存器 ：存储机器码，由 ARM 公司集成到 CPU 内部。
  • A32：每个寄存器可以存储一个 32 位数据。
  • A64：每个寄存器可以存储一个 64 位数据。

寄存器

• ARM7, ARM9, ARM11 有 37 个 32 位寄存器：

  • 1 个作为 PC (program counter)。
  • 1 个作为 CPSR (current program status register)。
  • 5 个作为 SPSR (saved program status registers)。
  • 30 个通用寄存器。

• Cortex-A 系列 多出 3 个寄存器，共有 40 个 32 位寄存器：

  • Monitor 模式的 r13_mon, r14_mon, spsr_mon。

• R0-R15, CPSR, SPSR：由 ARM 公司提供的寄存器，每个都是 32 位宽。

  • 这些寄存器没有物理地址，只有唯一的编号，通过编号可以访问相应的地址空间。

• R13：栈指针寄存器 (stack pointer, sp)：存放栈顶地址。

• R14：链接寄存器 (link register, lr)：函数调用时保存返回地址。

• R15：程序计数寄存器 (program counter, pc)：存放当前取指指令的地址。

• CPSR：当前程序状态寄存器 (current program status register, cpsr)：存储当前程序运行状态。

• SPSR：保存程序状态的寄存器 (saved program status register, spsr)：用于保存 CPSR。

时钟

• 负责发出 CPU 开始计时的时钟信号。