ARM --- 基础知识汇总

1、指令集架构基础

2、发展

[3、ARM 通用寄存器（ARM32 位内核）](#3、ARM 通用寄存器（ARM32 位内核）)

4、核心硬件单元

5、总线架构

6、交叉编译

[7、ARM 最小系统 & 存储芯片](#7、ARM 最小系统 & 存储芯片)

[8、ARM 7 种工作模式（ARM32）](#8、ARM 7 种工作模式（ARM32）)

[9、异常向量表 & 异常处理](#9、异常向量表 & 异常处理)

[10、ARM 异常类型（完整答案）](#10、ARM 异常类型（完整答案）)

[11、移位操作（ARM 指令）](#11、移位操作（ARM 指令）)

1、指令集架构基础

(1)CISC：复杂指令集计算机

代表架构：X86（电脑、服务器 CPU）

核心特点：

指令数量多、指令长度不固定、功能复杂
芯片面积大、加工成本高、体积大、功耗高
2/8 效应：20% 的常用指令完成 80% 的工作，剩余 80% 复杂指令利用率极低

(2)RISC：精简指令集计算机

代表架构：ARM、MIPS、RISC-V

核心特点：

指令数量少、指令长度固定、格式统一
芯片面积小、加工成本低、功耗极低、体积小（便携式设备首选）
精简指令集架构 CPU

(3)基础概念

指令（instruction）：CPU 能直接识别执行的最小操作命令
指令集：CPU 支持的所有指令的集合（硬件核心规范）

2、发展

ARM1 → ARM7 → ARM9 → ARM11→ Cortex 系列（主流）

Cortex-A：Application 应用级场景：手机、平板、智能设备、应用电子领域、Linux 嵌入式开发（如 IMX6ULL）
Cortex-R：Real-time 实时级场景：汽车电子、航空航天、工业控制（强实时性）
Cortex-M：Micro 微控制器场景：MCU 单片机、物联网传感器、低功耗小设备

3、ARM 通用寄存器（ARM32 位内核）

(1)核心寄存器功能

R0-R12：通用寄存器

用途：存放运算数据，与 ALU（算数逻辑单元）配合完成计算

R13 (SP)：栈指针寄存器

用途：管理栈空间，永远指向当前栈顶

R14 (LR)：链接寄存器

用途：保存子程序 / 函数调用的返回地址，函数执行完后自动跳转回原位置

R15 (PC) ：程序计数器
- 本质：指令地址指针
- ARM 三级流水线：PC取指 → 译码器译码 → kernal执行
- PC 指向正在取指的指令，而非正在执行的指令
- 指向当前代码正在执行的指令的下一条待取指的指令

(2)状态寄存器

CPSR：当前程序状态寄存器

用途：保存当前 CPU的运行状态（标志位、工作模式、中断使能等）

SPSR ：保存 **/**备份程序状态寄存器

用途：异常 / 中断发生时，备份触发前的 CPSR，便于异常/中断处理结束后异常结束后，恢复原状态，每种异常模式都有独立的 SPSR（SPSR_svc/SPSR_irq 等）

(3)具体分布

R0~R7：所有模式共享
R8---R12：FIQ 模式有专用 banked（FIQ 下有 R8_fiq---R12_fiq）；其他模式（用户、IRQ、SVC、ABT、UND）：都用同一组 R8~R12（5个），没有各自的 banked。
R13和R14 ：每个寄存器对应6个不同的物理寄存器。一个用于用户模式和系统模式 ，另外5个分别用于5种异常模式（fiq、irq、svc、abt、und）。
R15（PC）：所有模式共享
SPSR：除用户模式、系统模式没有外，每种模式有自己的 SPSR
CPSR（Current Program Status Register）：所有模式共享（1个）

4、核心硬件单元

(1) MMU：内存管理单元

全称：Memory Management Unit
功能：实现虚拟地址 ↔ 物理地址映射、内存权限管理、提高内存利用率
裸机开发必须关闭 MMU（无操作系统，不需要虚拟内存）

(2) Cache：高速缓存

作用：解决 CPU 与内存速度不匹配问题，CPU 优先访问 Cache，提高CPU访问数据的效率
分类：
- iCache：指令缓存（存放 CPU 要执行的指令）
- DCache：数据缓存（存放 CPU 运算的数据）
裸机开发配置：打开 iCache，关闭 DCache

(3) 架构分类

冯・诺依曼架构：指令和数据共用同一片内存、同一套总线
哈佛架构 ：指令存储和数据存储完全独立（双总线），速度更快
ARM Cortex-M/A 大多采用改进型哈佛架构

5、总线架构

(1)单总线（Single Bus）

定义：所有外设（CPU、RAM、GPIO、UART 等）共用同一组总线（地址线 + 数据线 + 控制线）。

特点：

同一时间只能和一个外设通信
和某个外设通信时，其他外设必须断开、不能占用总线
结构简单、成本低，但效率低、速度慢

(2)双总线 / ARM 分层总线

AHB 总线（Advanced High-performance Bus）
- 全称：先进高性能总线
- 用途：连接高速设备
- 挂载设备：RAM、网卡、USB、LCD、NAND Flash 控制器
APB 总线（Advanced Peripheral Bus）
- 全称：先进外设总线
- 用途：连接低速、低带宽外设
- 挂载设备：GPIO、UART、I2C、SPI、定时器
桥接（Bridge）
- AHB 和 APB 之间有一个 APB 桥
- 作用：高速总线 ↔ 低速总线 数据转换、速率匹配

6、交叉编译

(1)定义

在一个平台编写编译程序,能够在另外一个平台运行程序(在X86 平台 上编写、编译代码，生成能在ARM 平台运行的程序)

(2)编译器区分

gcc：X86 架构本地编译器（编译电脑程序）
arm-linux-gnueabihf-gcc：ARM 架构交叉编译器（编译嵌入式程序）

(3)查看系统架构命令

uname -a 显示系统的详细信息（Linux 系统查看 CPU 架构、内核版本等）

(4)编译器编译流程

7、ARM 最小系统 & 存储芯片

(1)最小系统

定义： 让 CPU 正常启动、运行的最少硬件电路

**核心组成：**电源、时钟、复位、RAM（运行内存）、Flash（程序存储）、下载 / 调试电路（JTAG/SWD/ 串口）、CPU

(2)存储芯片

NOR Flash
- 支持字节寻址，可直接在芯片内运行代码（XIP）eXecute In Place，代码直接在 Flash 中执行
- 有独立地址总线 + 数据总线
NAND Flash
- 不支持字节寻址(无法被寻址)，按数据块（512Byte / 块）读写
- 容量大、成本低，不能直接运行代码，需加载到内存执行

(3)常用芯片对应架构

imx6ull → Cortex-A7 → armv7-a 指令集
s3c2440 → ARM920T → armv4 指令集

8、ARM 7 种工作模式（ARM32）

用户模式（User Mode，USR）：
- 普通应用程序运行模式，权限最低
- 只能访问受限资源，不能直接操作硬件或系统关键寄存器。
- 不能执行特权指令。
快速中断模式（FIQ）：
- 用于处理高优先级、快速响应的中断。
- 有专用寄存器，切换速度快，适合实时控制。
普通中断模式（IRQ）：
- 用于处理一般中断请求。
- 比 FIQ 优先级低，寄存器资源有限。
管理模式（Supervisor Mode，SVC）：
- 系统上电默认模式、系统调用、保护模式
- 操作系统或内核代码运行的模式，权限高。
- 可以访问所有资源，处理系统调用。
- 当复位或软中断指令执行时将会进入该模式
中止模式（Abort Mode，ABT）：
- 地址访问异常（内存错误）触发
- 进入该模式后可进行异常处理。
未定义指令模式（Undefined Mode，UND）：
- 执行 CPU 不识别(未定义)的指令触发
- 进入该模式后可进行异常处理。
系统模式（System Mode，SYS）：
- 权限最高，和用户模式共用寄存器，用于操作系统内核
- 可访问所有资源

除用户模式外，其余 6 种均为特权模式，可自由切换模式、操作硬件

9、异常向量表 & 异常处理

(1)异常向量表

本质：一段固定地址的数组 / 代码段
功能：存放跳转到对应异常处理函数的指令
地址固定：CPU 触发异常后，自动跳转到对应向量地址

(2)异常触发时（CPU 自动执行）

拷贝 CPSR → SPSR_<异常模式>
修改 CPSR：切换为 ARM 态、切换到对应异常模式、设置中断禁止位禁止相应中断（可选）
保存返回地址 → LR_<异常模式>
设置 PC = 异常向量地址（跳转到处理函数）

(3)异常返回时（手动执行）

从 SPSR_<模式> 恢复 CPSR
从 LR_<模式> 恢复 PC
以上操作只能在 ARM 状态执行，Thumb 状态不支持

10 、ARM 异常类型（完整答案）

复位异常（Reset）：CPU 上电 / 复位触发（最高优先级）
未定义指令异常（Undefined Instruction）
软件中断异常（SWI）：用户态调用内核功能
指令预取中止异常：取指令失败
数据访问中止异常：读写数据地址错误
普通中断请求（IRQ）
快速中断请求（FIQ）

11、移位操作（ARM 指令）

算术移位（有符号数用）
- ASL　算术左移 高位丢弃，低位补 0（和 LSL 完全一样）
- ASR　算术右移 低位丢弃，高位补符号位（正 0、负 1）
逻辑移位（无符号数用）
- LSL　逻辑左移 高位丢弃，低位补 0
- LSR　逻辑右移 低位丢弃，高位补 0
循环移位（循环绕回）
- ROL　循环左移 移出的最高位 ，补到最低位

ROR　循环右移 移出的最低位 ，补到最高位

ARM --- 基础知识汇总

1、指令集架构基础

2、发展

3、ARM 通用寄存器（ARM32 位内核）

4、核心硬件单元

5、总线架构

6、交叉编译

7**、ARM 最小系统 & 存储芯片**

8、ARM 7 种工作模式（ARM32）

9、异常向量表 & 异常处理

10 、ARM 异常类型（完整答案）

11、移位操作（ARM 指令）

7、ARM 最小系统 & 存储芯片