ARM学习

基础知识

架构设计

最大区别在于内核设计的区别：X86，8051，ARM，MIPS

CPU内核（指令集架构）

分类：CISC，RISC

1. CISC：Complex Instruction Set Computer 复杂指令集计算机 例：x86
   特点：面积大，加工成本高，复杂，体积大，功耗大
   80％情况下只用到20％的功能（二八效应）
2. RISC：Reduced Instruction Set Computer 精简指令集计算机
   特点：面积小，加工成本低，功耗低，体积小 例：ARM，便携式设备（手机）

ARM应用

三种型号：Cortex-A，Cortex-R，Cortex-M

1. A：Application 应用，手机、应用电子领域
2. R：realtime 实时性，汽车电子，航空航天
3. M：Micro 微控制器

Coretx - A7：32位处理器

寄存器：32位，4字节 数据范围：0000 0000 ~FFFF FFFF

ALU + R0~R15 +

一、寄存器

1.通用寄存器

16个通用寄存器（R0~R15）

R0~R12：通用寄存器（内核），

存放数据，无地址，搭配ALU（算术逻辑单元）使用

特殊的通用寄存器

1. pc寄存器
   名称：程序计数器（R13）
   指向当前指令的指针
   指向哪一行代码，就执行哪一行，
   未被指向过，则会跳过不执行
   上电后，默认指向首条指令
   1. 三级流水线结构
      1. pc取指令
      2. 译码器解释指令
      3. 内核（kernel）执行指令
   2. 三指并非串行，而是并行
2. 局限：发生跳转，无法返回
4. lr寄存器：link register（R14）
5. 链接寄存器：保存函数的返回地址
6. 局限：二次调用，可能覆盖
8. sp寄存器：stack pointer，（R15）
9. 栈指针寄存器：用于管理栈空间，永远指向栈顶
10. 发生跳转：先入栈，再跳转
11. 跳转后执行完毕：开始出栈，返回

2.特殊寄存器

状态寄存器（PSR）

cpsr寄存器：current program status register

当前程序状态寄存器：保存程序运行到某一步的状态

spsr：save program status register

保存/备份程序状态寄存器：异常发生时，保存cpsr寄存器中的程序状态

二

MMU：Memory Manager Unit

内存管理单元

功能：用于虚拟内存到物理内存的映射，从而提高物理内存的利用率

注：裸机开发必须关闭MMU

Cache：高速数据缓存

功能：直接从Cache访问数据，提高CPU访问数据的效率

分类：icache，指令缓存；dcache，数据缓存

架构采用哈佛架构

裸机开发时：打开icache，关闭dcache，提高指令运行速度

内核和外设之间的通信方式

种类：单总线通信，双总线通信

单总线通信，通过一根线/一组线和外设通信

和某一外设进行通信时，其他外设无法接入

双总线通信：

AHB总线：先进高速总线（USB，网卡，RAM）

APB总线：先进外设总线（GPIO，UART）

SATA：存储接口 BIOS：基本输入输出系统

booteloader

SOC

system on chip，片上系统

SOC处理器内核

8051，8051，DSP，MIPS，PPC，ARM

2440 RAM 4KB

补充知识

冯·诺依曼架构：数据和指令存放到同一片内存空间

哈佛架构：数据和指令要分开对立存储

预处理：头文件展开，宏定义替换，条件编译

编译：将C语言文件编译成汇编文件

汇编：将汇编代码编译成二进制机器语言

链接：链接成一个可执行的文件

gcc编译，生成的可执行程序只能在arm架构使用

交叉编译：在一个平台编写编译程序，能够在另外一个平台运行程序

ARM指令

汇编语法

电路基础

三极管

与或非门

锁存器，记忆功能

RAM与ROM

RAM：易失性

RAM类型（了解即可）

1. sram(static ram)用晶体管存储0、1。速度快，成本高，存储密度低。
2. dram(dynamicram)动态存储，用电容充放电存储0，1。功耗大，需要外接刷新电路，读写速度低于sram。成本低，存储密度大。
3. sdram(synchronous dram)增加了同步电路，提高dram的数据读写速度。
4. ddr ram(全称ddr sdram即double data rate sdram)，为sdram的下一代，目前已发展到ddr5。
5. iram(internal ram)注意iram并非是真正意义上的某种ram，通常iram就是sram，它通常存在于Soc内部，所以被称为iram。

1. rom：非易失性存储器，最早的rom在出场时写入数据，之后无法更改。
2. prom（programmnable rom）：可编程rom。出场后能够让用户写入一次数据，例如cdrom
3. eprom（erasable prom）：可擦写prom，出场后可以擦除数据再次写入，但需要特殊的设备。如紫外光等
4. eeprom（electically eprom）：电可擦写可编程rom，无需专用设备就可以擦写，编程。
5. flash闪存，新一代非易失性存储器。
   1. nor flash（与非） ：每一个字节可以被寻址，地址总线和数据总线
   2. nand flash（或非）：无法被寻址，以固定块大小写入或读取数据512byte

7种必须记忆（重点）

ARM的7个基本工作模式（七种两类）

1. User：非特权模式，大部分任务执行在这种模式
2. FIQ：当一个高优先级(fast)中断 产生时将会进入这种模式
3. IRQ：当一个低优先级(normal)中断产生时将会进入这种模式
4. Supervisor：当复位 或软中断指令执行时将会进入这种模式
5. Abort：当存取异常时将会进入这种模式
6. Undef：当执行未定义指令时会进入这种模式
7. System：使用和User模式相同寄存器集 的特权模式
8. Cortex-A特有模式:
9. 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

颜色不同，同名寄存器不同

发生模式跳转时，调用spsr存储cpsr内容（不同的寄存器集），完成当前模式后，基于spsr存储相关的cpsr内容，恢复原先模式

程序状态寄存器

|----|----|----|----|----|----|----|----|----|----|----|----|----|----|----|----|----|----|----|----|----|----|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 条件位 |||| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |
| 31 | 30 | 29 | 28 | 27 | 26 | 25 | 24 | 23 | 22 | 21 | 20 | 19 | 18 | 17 | 16 | 15 | 14 | 13 | 12 | 11 | 10 | 9 | 8 | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 |
| N | Z | C | V | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

异常处理

异常产生时，内核工作

1. 拷贝CPSR到SPSR<mode>
2. 设置适当的CPSR位:
   1. 改变处理器状态进入ARM态
   2. 改变处理器模式进入相应的异常模式
   3. 设置中断禁止位禁止相应中断(如果需要)
3. 保存返回地址到LR_<mode>
4. 设置PC为相应的异常向量

异常向量表：数组，数组中存放的是跳转到对应异常服务函数的指令

返回时，异常处理需要:

1. 从SPSR<mode>恢复CPSR
2. 从LR <mode>恢复PC
3. Note:这些操作只能在ARM态执行

汇编语言

MOV

算术右移：针对有符号数，最高位补符号位，需要考虑数值的符号位

1111 1111 1111 1111 → 1111 1111 1111 1111

0111 1111 1111 1111 → 0011 1111 1111 1111

逻辑右移：针对无符号数，最高位补0，不需要考虑数值的符号位

1111 1111 1111 1111 → 0111 1111 1111 1111

循环右移：循环将移出的最低位补到最高位

0111 1111 1111 1111 → 1011 1111 1111 1111

ADD

概念回顾：指令集（复杂/精简），ARM内核版本（ARM11的变化）应用领域（A/R/M）

Cortex-A7 内核中的寄存器

pc，lr，sp，cpsr，spsr，MMU， Cache，icache，dcache，功能记忆

哈佛与冯诺依曼了解即可

单总线/双总线

ram/rom，flash/nor flash/nand flash

七种arm工作模式（记忆）

寄存器概要，不同模式下的数量（37,40位）

程序寄存器各位作用（了解即可）

异常处理流程（记忆）