ARM 体系结构与存储器

一、RAM 分类

1. SRAM (Static RAM)

   • 用 触发器/晶体管 存储 0/1。

   • 特点：速度快、功耗低（静态保持），但成本高、容量小。

   • 应用：片上缓存、寄存器文件、单片机内存。

2. DRAM (Dynamic RAM)

   • 用 电容充放电 存储 0/1。

   • 特点：存储密度高、成本低，但需要刷新电路，速度低于 SRAM。

   • 应用：PC 内存、大容量存储。

3. SDRAM (Synchronous DRAM)

   • 在 DRAM 上增加时钟同步，提高读写速度。

4. DDR RAM (Double Data Rate SDRAM)

   • SDRAM 的升级版，在时钟上升沿和下降沿均可传输数据。

   • 发展分支：DDR → DDR2 → DDR3 → DDR4 → DDR5。

5. IRAM (Internal RAM)

   • 本质上是 片上 SRAM，直接集成在 SoC 内部，速度快、可直接被内核访问。

     

二、ROM 分类

1. ROM (Read Only Memory)

   • 出厂时数据固定，不可更改。

2. PROM (Programmable ROM)

   • 用户可写入一次数据。

3. EPROM (Erasable PROM)

   • 可通过紫外线擦除后重新写入。

4. EEPROM (Electrically Erasable PROM)

   • 电擦写方式，速度较慢，但方便修改少量数据（如配置参数）。

5. Flash 闪存

   • NOR Flash：字节寻址，可直接执行（XIP, Execute In Place）。

   • NAND Flash：页寻址，容量大、寿命长，需控制器管理。

   • eMMC：嵌入式 NAND，带控制器，简化接口。

   • UFS（Universal Flash Storage）：新一代高速存储接口。

三、ARM 内核结构（Cortex-A7 为例）

1. 基本信息

   • 32 位架构，数据宽度 4 字节。

   • RISC（精简指令集）设计，流水线执行。

2. 功能单元

   • ALU：算术逻辑运算。

   • 通用寄存器 R0-R12：主要运算与数据存储。

   • 专用寄存器：

     • PC (R15)：程序计数器。

     • LR (R14)：连接寄存器，保存返回地址。

     • SP (R13)：栈指针寄存器。

     • CPSR：当前程序状态寄存器。

     • SPSR：保存的 CPSR（用于异常返回）。

3. 存储与控制

   • MMU (Memory Management Unit)：虚拟地址 → 物理地址映射。

   • Cache：

     • I-Cache（指令缓存）

     • D-Cache（数据缓存）

   • 总线：

     • AHB：高性能总线（CPU ↔ 内存）。

     • APB：外设总线（低速外设）。

四、ARM 工作模式

Cortex-A7 有 9 种模式：

1. User：非特权模式，普通应用运行。

2. FIQ：快速中断模式，高优先级，专用寄存器多，适合实时处理。

3. IRQ：普通中断模式。

4. Supervisor (SVC)：上电复位或软中断进入。

   • 上电默认进入 SVC 模式，由启动代码切换到 User 模式。

5. Abort：存取异常模式。

6. Undef：未定义指令模式。

7. System：与 User 共用寄存器，但具备特权。

8. Monitor：安全监控模式（TrustZone）。

9. Cortex-A 特有模式（部分扩展架构支持）。

   

说明：

每种模式都有 独立 SP、LR，保证中断/异常隔离。

ARM 将 中断统一视为异常。

五、异常处理

1. 异常类型

   • Reset（复位）

   • Undefined Instruction（未定义指令）

   • SWI（软中断）

   • Prefetch Abort（指令取指异常）

   • Data Abort（数据访问异常）

   • IRQ（普通中断）

   • FIQ（快速中断）

     

2. 异常向量表

   • 固定地址存放不同异常入口。

   • 例如：复位向量通常在 0x00000000 或 0xFFFF0000。

     

3. 底层流程

   • 保存 CPSR → 切换模式 → 修改 PC → 跳转异常向量表地址。

六、CPSR 程序状态寄存器

1. Mode 位：工作模式选择。

   

2. 条件标志位：

   • N（Negative）：结果为负数 → 1。

   • Z（Zero）：结果为 0 → 1。

   • C（Carry）：无符号运算进位/借位。

   • V（Overflow）：有符号数溢出。

3. E 位：大小端标志（0 = 小端，1 = 大端）。

4. IRQ/FIQ 屏蔽位：控制中断响应。

七、ARM 指令

1. 数据传送

   • MOV Rd, #const：立即数赋值。

   • MOV Rd, Rm：寄存器传值。

   • MVN Rd, #const：立即数取反。

     

2. 算术运算

   • ADD Rd, Rn, #const

   • SUB Rd, Rn, #const

   • MUL Rd, Rn, Rm

3. 移位操作

   • LSL：逻辑左移。

   • LSR：逻辑右移。

   • ASL：算术左移（等价于 LSL）。

   • ASR：算术右移（符号位保持）。

   • ROR：循环右移。

4. 立即数规则

   • ARM 立即数 = 8-bit 常数 + 4-bit 旋转。

   • 可通过右旋实现更多常数表示。