ARM体系架构 - 技术栈

1.基本概念

ARM概念：①ARM公司（负责设计内核）②ARM（Advanced RISC Machine ）系列处理器内核
CPU内核
- CISI: Complex Instruction Set Computer 复杂指令集计算机（如x86架构CPU）
  - **优点：**功能完善
  - **缺点：**芯片面积大、加工成本高、实现复杂、体积大、功耗大（二八效应：80%情况下只用到了20%功能）
- RISC: Reduced Instruction Set Computer 精简指令集计算机
  - **优点：**芯片面积小、加工成本低、实现简单、体积小、功耗小，大量使用寄存器（大多数数据操作都在寄存器中完成），指令执行速度更快；
  - **应用场景：**手机、平板、单片机、嵌入式设备
ARM系列处理器内核发展历程

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| ARM | ------> | Cortex |
| ARM1 ~ ARM11 | ------> | A:Application 应用级-跑系统（安卓 / Linux）（如imx6ull 是Cortex-A7内核，32位） |
| ARM1 ~ ARM11 | ------> | R:real time 实时性领域- 汽车电子、航空航天 |
| ARM1 ~ ARM11 | ------> | M: Micro 微控制器-MCU 单片机领域（如STM32） |

**CortexA7(32位)**资源

ALU : Arithmetic Logical Unit，算术逻辑单元
PC寄存器：program counter ，程序计数器，本质上是一个指针，指向当前代码正在执行指令的下一条指令
三级流水线结构 （同时做三件事，提速）
- PC ：取指令
- 译码器：解释
- kernel：执行指令
Lr寄存器 ：Linked register,链接寄存器，保存函数返回地址（函数调用完跳回哪里）
sp寄存器：stack pointer,栈指针寄存器，管理栈区，永远指向栈顶
Cache:高速数据缓存，直接从Cache访问数据，提高CPU访问数据的效率
- icache: instruction cache,指令缓存, 存指令（加速取代码）
- dcache: data cache,数据缓存，存数据（加速读数据）
计算机架构
- 冯.诺依曼架构：数据和指令存放在同一片内存空间
- 哈佛架构 ：指令、数据分开存储（速度更快，ARM / 单片机常用）
裸机开发黄金规则:必须要关闭MMU（裸机阶段使用物理内存，用不到虚拟内存），打开icache，关闭dcache

总线通信 （芯片内部 "高速公路"）:
- 单总线通信：通过一根线/一组线和外设通信，同一时间只能和一个设备通信（排队）
- 双总线通信：
  - AHB总线：advanced high bus,先进高速总线,连接高速外设（USB、网卡、RAM、北桥芯片）（跑得快）
  - APB总线：先进外设总线（GPIO、UART、蓝桥芯片）（慢但够用）
SATA：古老的硬盘接口
启动相关
- BIOS：引导Windows系统启动，把操作系统从flash搬运到内存
- bootloder:引导Linux系统启动的程序

SOC概念：System on Chip,r简称Soc，也即片上系统。
典型的SOC处理器
- 8051
- DSP：用于浮点运算
- MIPS
- PPC:上世纪90年代使用的
- ARM：嵌入式用得最多（付费）
- RISC-V：和ARM类似，但免费开源
编译4流程：预处理（Pre-Processing），编译（Compliling），汇编(Assembling)，链接(Linking)
开发ARM程序常用的集成开发环境
- 编译器
  - gcc 用于x86架构
  - arm-linux-gnueabihf-gcc 用于arm架构,交叉编译 ARM 程序（uname -a 查看处理器架构）
- keil4：用于仿真，学习内核（S3C2440仿真模拟ARM920T）
ARM最小系统 ：
- 概念：使系统能够正常工作的最少器件构成的系统
- 图示：
三总线结构：

ARM数据类型 （32 位架构标准）
- ARM 约定:
  Byte : 8 bits
  Halfword :16 bits (2 byte)
  Word :32 bits (4 byte)
  Doubleword ：64-bits(8byte)(Cortex-A处理器)
ARM指令类型
- 大部分ARM core 提供:
  - ARM指令集(32-bit)
  - Thumb指令集(16-bit)（压缩指令，省空间）
- Cortex-A处理器
  - 16位和32位Thumb-2指令集:混合 16/32 位（现代 ARM 用）
  - 16位和32位ThumbEE指令集
- Jazelle cores 支持 Java bytecode

处理器工作模式
- ARM有7个基本 工作模式（特权 / 非特权）
  - User :非特权模式，++大部分任务执行在这种模式++（权限最低）
  - 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
  - SupQervisor:管理员模式、默认模式，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 :特权模式、使用和User模式相同寄存器集的特权模式Cortex-A
  - Cortex-A特有模式: 用于调试------专用安全模式
  - 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------专用安全模式
切换处理器工作模式

ARM寄存器个数
- 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

2.核心总结

①复杂指令集与精简指令集

②ARM版本：ARM 经典 → Cortex-A/R/M

③16个通用寄存器，cpsr,spsr,MMU，cache缓存，

③裸机阶段：必须要关闭MMU，打开icache，关闭dcache

④单总线，多总线

⑤flash闪存，新一代非易失性存储器

nor flash：每个字节可寻址

еMMC nand fkash：以块为单位寻址

⑥ARM7种工作模式

⑦ARM寄存器个数------ARM有37个32-Bits长的寄存器、Cortex体系结构下有40个32-Bits长的寄存器

⑧异常处理流程