ARM体系结构及接口技术-01ARM基础（ARM基本概念，工作模式，寄存器功能）

认识ARM

嵌入式产品

ARM公司

• 成立于1990年11月
  前身为 Acorn计算机公司
• 主要设计ARM系列RISC处理器内核
• 授权ARM内核给生产和销售半导体的合作伙伴
• ARM 公司不生产芯片

ARM 全球分布

ARM 产品线

授权的厂商

• TI （德州仪器）
  Omap3430 Cortex-A8核600MHz （诺基亚N96）
  Omap3530 Cortex-A8核600MHz ARM+DSP双核
• Samsung（三星）
  S5PC100 Cortex-A8核 600MHz (iPhone 3GS和M9都应用此芯片)
  S5PC110/S5PV210 Cortex-A8核 1GHZ (号称目前世界上最快的ARM处理器)
• Freescale（飞思卡尔）
  i.MX512/ i.MX513/ i.MX515 Cortex-A8核600MHz~1GHz（在多款上网本中得到应用）
• Marvell（马维尔）
  PXA930 800MHz Cortex-A8核
  ARMADA 500/600/1000系列 Sheeva PJ4核心 1GHz~1.2GHz（支持ARMv7指令集，架构异同）
• Qualcomm（高通）
  QSD8650A/ QSD8672（Snapdragon系列） 1.3G~1.5G scorpion核心（支持ARMv7指令，架构异同）
• Nvidia（英伟达）
  Tegra ARM11核 700MHz
  Tegra2 （下一代产品） Cortex A8（或A9）核

ARM 体系架构

备注:

1. 不同ARM体系采用不同指令集
2. 哈佛结构是数据和指令分开存储并行
3. 冯诺依曼（普林斯顿）结构是混合存储的

ARM系统硬件组成和运行原理

数据和指令类型

• ARM 采用的是32位架构
• 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）
• 大部分ARM core 提供：
  ARM 指令集（32-bit）
  Thumb 指令集（16-bit ）
• Cortex-A处理器
  16位和32位Thumb-2指令集
  16位和32位ThumbEE指令集

程序计数器PC (r15)

• 当处理器执行在ARM状态:
  所有指令 32 bits 宽
  所有指令必须 word 对齐
  所以 pc值由bits [31:2]决定，bits[1:0]未定义(所以指令不能halfword/byte对齐)
• 当处理器执行在Thumb状态:
  所有指令16bits宽
  所有指令必须 halfword对齐
  所以pc值由bits[31:1]决定,bits[0]未定义(所以指令不能 byte对齐)
• 当处理器执行在Jazelle状态:
  所有指令 8 bits 宽
  处理器执行word存取一次取4条指令

字节顺序

ARM 可以用little/big endian格式存取数据

ARM的工作模式及寄存器

ARM主要有7个基本工作模式

模式	含义
User （普通模式）	非特权模式，大部分任务执行在这种模式
FIQ (快速中断模式)	当一个高优先级（fast) 中断产生时将会进入这种模式
IRQ （外部中断模式）	当一个低优先级（normal) 中断产生时将会进入这种模式
Supervisor（超级用户模式）	当复位或软中断指令执行时将会进入这种模式
Abort （数据访问终止）	当存取异常时将会进入这种模式
Undef （未定义指令终止模式）	当执行未定义指令时会进入这种模式
System （系统模式）	使用和User模式相同寄存器集的特权模式

ARM 有37个寄存器

• 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

ARM 工作模式及寄存器框图

• 没有标三角的寄存器是在七种模式下公用的，标三角的是有额外的寄存器
• system and user模式下
  · PC:记录当前程序运行的位置
  · LR：记录程序的返回地址
  · SP：指向栈顶指针
  · CPSR:当前程序状态寄存器

CPSR 寄存器

1.Mode位 [4:0]：处理器模式位

Mode位	处理器模式
10000	User mode
10001	FIQ mode
10010	IRQ
10011	SVC mode
10111	Abort mode
11011	Undfined mode
11111	System mode

2. T 位 J 位
   T = 0;J=0 处理器处于 ARM 状态（一条指令4个字节）
   T = 1;J=0 处理器处于 Thumb 状态（一条指令2个字节）
3. 中断禁止位[7:6]
   I = 1: 禁止 IRQ.
   F = 1: 禁止 FIQ
4. 条件位：
   N = Negative result from ALU
   Z = Zero result from ALU
   C = ALU operation Carried out or borrow
   V = ALU operation oVerflowed

测验

1) ARM有哪些工作模式？

答：ARMv7-A架构处理器共有8种工作模式，即用户模式（User）、快速中断模式（FIQ）、外部中断模式（IRQ）、特权模式（Supervisor）、数据访问中止模式（Abort）、未定义指令中止模式（Undef）、系统模式（System）、监控模式（Monitor）

2) ARM核有多少个寄存器？

一般没有Monitor模式的ARM核有37个寄存器，Cortex有Monitor模式的ARM核有40个寄存器。

3) PC和LR寄存器的别名？

R14存储LR，用于存储返回地址；
R15存储PC，用于指向下一条指令。

4) R13别名是什么？

SP，堆栈指针。

5) 哪种模式使用的寄存器最少？

User模式使用的寄存器只有17个。

6) CPSR的哪 位反映了处理器的状态？

T位是处理器的状态控制位
T = 0;J=0 处理器处于 ARM 状态（一条指令4个字节）
T = 1;J=0 处理器处于 Thumb 状态（一条指令2个字节）