硬件（4）——ARM体系架构

kernel（内核）：x86、8051、MIPS、ARM。

前面介绍的51单片机，使用的是8051内核，我们使用的Windows电脑用的是x86内核。本文将介绍ARM内核。

一、基本概念

1. 指令集架构

CISC (Complex Instruction Set Comouter)：复杂指令集计算机。eg：x86。

芯片面积大，加工成本高，复杂、体积大、功耗大
28效应：80%的情况下只使用到20%的功能

RISC (Reduced Instruction Set Comouter)：精简指令集计算机。eg：ARM。

芯片面积小，加工成本低，功耗低、体积小，用于便携式设备。
对于28效应的问题，减少了80%的功能。

2. ARM系列

ARM是一家只设计内核，不生产芯片，供给半导体厂商的公司。

ARM系列的版本经过了ARM1 ~ ARM11的升级，现在最新版本是Cortex版本。

Cortex 三大领域系列：

A：Application，应用领域。eg：手机、应用电子领域。
R：Real time，实时性领域。eg：汽车电子、航空航天。
M：Micro，微控制器领域。eg：MCU、单片机。

现在的ARM，精简指令集计算机，imx6null，Cortex-A7内核，32位存储器（一条指令占4byte）

stm32（32位单片机）使用的是ARM架构的芯片，Cortex-M3内核

3. ARM内核结构组成

3.1 寄存器

R0~R12：通用寄存器，存放数据。

SP寄存器（R13）：stack pointer，栈指针寄存器。用来管理栈区，可以直接使用的栈区指针，一直指向栈顶。

LR寄存器（R14）：linked register，链接寄存器。保存函数的返回地址。

PC寄存器（R15）：program counter，程序计数器。本质上是一个指针，指向当前正在执行指令的下一条指令。

三级流水线结构（三级同时并行执行）：

PC取指令

通过译码器翻译

交给kernel执行指令

PSR（状态指示寄存器）：

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时的状态（溢出、进位、借位等）。
spsr寄存器：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。

3.2 内部单元

ALU：算术逻辑单元，与R0~R12搭配使用，控制存储。

MMU：Mermory Manager Unit，内存管理单元。用于管理虚拟内存到物理内存映射，从而提高物理内存的利用率。ARM的物理内存：512MB。

Cache：高速数据缓存。直接从cache访问数据，提高CPU访问速度。

icache：instruction，指令缓存
dcache：data，数据缓存

内存存储架构：

冯.诺依曼架构：数据和指令存放到同一片内存。

哈佛架构：数据和指令独立存储。（ARM）

3.3 内部总线

单总线通信：通过一根线/一组线和外设通信，和某个外设通信时，其他外设接不进来。

双总线通信：

AHB总线：先进高速总线，连接通信速率快的外设（USB、网卡、RAM）。
APB总线：先进外设总线，连接通信速率慢的外设（GPIO、UART）。

4. 编译

s3c2440 --- ARM920T，RAM:4KB

内核代码是汇编语言。

编译流程：

预处理（.i）：展开头文件、宏定义替换、条件编译（#if #endif）
编译（.s）：将C语言编译成汇编语言。
汇编（.o）：将汇编语言编译成二进制计算机语言。
链接：链接成一个可执行文件。

交叉编译：在一个平台编写编译程序，在另外一个平台运行程序。

二、电子硬件

1. 三极管

PNP发射极接VCC，基极接低电平导通；NPN发射极接GND，基极接高电平导通。

2. 存储器

计算机系统的硬件组成：控制器、运算器、输入设备、输出设备、存储器。

1）. 三级存储系统：

|------------|--------|--------|----------|
| 名称 | 速度 | 容量 | 价格 |
| cache | 快 | 慢 | 小 | 大 | 昂贵 | 便宜 |
| 主存储器（RAM） | 快 | 慢 | 小 | 大 | 昂贵 | 便宜 |
| 辅助存储器（ROM） | 快 | 慢 | 小 | 大 | 昂贵 | 便宜 |

RAM：易失性存储器。最新版本：iram。

ROM：非易失性存储器。最新版本：flash闪存。

2）. flash分类：

nor flash：每一个字节可以被寻址，有数据总线和地址总线。

nand flash：无法被寻址，以固定块大小写入或读取数据。

3）. 指令集版本

指令集版本：armv1 - armv8

imx6ull -> Cortex-A7 -> armv7
S3C2440 -> ARM920T -> armv4
exnoy4412 -> CortexA8 -> armv8

三、ARM内核架构

1. 处理器工作模式

ARM有7个基本工作模式，还有两个Cortex-A特有模式。

**User:**非特权模式，大部分任务执行在这种模式（使用寄存器最少的模式）

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（管理员SVC，默认模式）

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。

2. ARM寄存器

ARM有37个寄存器，Cortex-A有40个寄存器。

ARM每个工作模式的sp、lr、pc寄存器都是独立的。

程序状态寄存器：

B5 --- T，处理器状态位

M[4:0] --- Mode，处理器模式位

User ： 10000
FIQ ：10001
IRQ ：10010
Supervisor ：10011
Abort ：10111
Undefined：11011
System ：11111

3. 异常处理流程

1）.当异常产生时, ARM ：

拷贝 CPSR 到 SPSR
设置适当的 CPSR 位：改变处理器状态进入ARM态（默认状态，不用改变），改变处理器模式进入相应的异常模式
保存返回地址到 LR
设置 PC 为相应的异常向量

2）.返回时, 异常处理需要:

从 SPSR恢复CPSR
从LR恢复PC
Note:这些操作只能在 ARM 态执行

中断向量表：存放中断服务函数的入口地址的数组。

异常向量表：存放跳转到对应异常服务函数的指令的数组。

ARM有七种异常指令。

四、汇编指令

汇编指令放在.s文件中，每条指令后不用加分号。注释不用"//"，用";"

1. MOV 赋值

1). MOV <Rd>,#<const>

Rd:目标寄存器。
const：常量。

MOV r0，#1 ；r0=1

2). MOV <Rd>,<Rm>

Rd:目标寄存器。
Rm：第一操作数寄存器

mov r2,r1 ;r2=r1

3). MOV <Rd>,<Rm>,<type> #<n>

ASR：算术右移，针对于有符号数，最高位补符号位。
LSR：逻辑右移，针对于无符号数，最高位补0。
ROR：循环右移，将移出的最低位补到最高位。
LSL：逻辑左移，低位补0。

mov r3,r2,lsl #3 ;r3=r2<<3
mov r4,r3,asr r0 ;r4=r3>>1

2. ADD 加法

1). ADD <Rd>,<Rn>,#<const>

复制代码

add r0,r3,#2    ;r0=r3+2

2). ADD <Rd>,<Rn>,<Rm>

bash 复制代码

add r0,r1,r2    ;r0=r1+r2

3). ADD <Rd>,<Rn>,<Rm>,<type>,<Rs>

cpp 复制代码

mov r3,r2,r1,lsl r0   ;r3=r2+(r1<<r0)