嵌入式（二十八）：arm总线&指令集&工作状态

1、arm流水：
a、流水的深度越深，级别越多，系统的性能有可能会更高
b、arm9开始就是哈佛结构，指令的吞吐量更多，内核的频率也更高。
c、arm7是三段流水
2、arm7的三级流水线：
a、正常操作过程中，在执行一条指令的同时对下一条指令进行译码，并将第三条指令从存储器中取出，即：

3、cortex M3概述：

a、一块低功耗处理器
b、门数目少，中断延迟短，调试成本低
c、满足有快速中断响应能力的深度嵌入式应用
d、采用armv7-M架构
e、采用thumb-2 ISA子集，包含所有基本的16位和32位thumb-2指令
f、哈佛处理器架构
g、32位单周期乘法、硬件除法
h、thumb状态和调试状态
i、嵌套向量中断控制器，与处理器内核紧密结合实现低延迟中断处理
j、存储器保护单元MPU，功能可选，用于对存储器进行保护
k、包括：12个通用32bit寄存器、链接寄存器LR、程序计数器PC、程序状态寄存器xPSR、两个分组的SP寄存器
l、存储器访问：一个独立的加载存储单元LSU，与来自ALU的加载和存储操作是分离的，即可以并行。一个3字的入口预取指单元，一次取一字。
m、所有来自内核的取地址操作都是字对齐的，如果是半字对齐的，则需要两次取指操作才能完成thumb-2指令的取指。对齐可能会耗费空间，但可以提高缓存的效率。
n、指令总线与数据总线分离
o、总线以矩阵的方式在片上进行处理
p、FPB，进行flash地址重载和断点的单元
q、DWT，系统调试和跟踪用的寄存器
r、ITM，进行指令跟踪，更接近于外部，对访问允许进行检验
s、ETM，进行嵌入式跟踪，跟踪CPU的指令和数据如何访问，对内部的控制逻辑实现一个使能和事件驱动的功能，更接近于核心处理器
t、TPIU，在片外，是可选的，用来跟踪接口的单元，把片内的跟踪信息（ITM与ETM）都获取出来，以某种格式进行组装，通过跟踪端口传送到片外
u、SW-J-DP，调试端口，对系统中，包括处理器中的寄存器的访问进行调试
v、AHB总线，更接近处理器总线
w、APB总线，更接近于外部，与AHB有速率的差异
4、cortex-M3指令集
a、不能执行arm指令集，只能执行thumb指令集，代码密度更高，汇编之后的机器代码所占据的存储空间大小更小，在单位存储空间上有更多的代码，即以更短的代码能够实现更多的功能

b、目的操作数在第一个，源操作数在第二个，包括但不限于以下：
c、8位立即数与寄存器值相加
d、低寄存器值与低寄存器值相加
e、PC加4（8位立即数）
f、SP加4（8位立即数）
g、寄存器值按位与
h、条件分支
i、无条件分支
j、逻辑左移，移位次数取决于寄存器中的值
k、寄存器值相乘
5、cortex-M3工作模式与状态
a、支持两种工作模式，线程模式和处理模式
b、在复位时处理器进入线程模式，异常返回时也会进入该模式，特权和用户（非特权）代码能够在线程模式下运行，和操作系统类似
c、出现异常时处理器进入处理模式，在处理模式中，所有代码都是特权访问的
d、有两种工作状态，thumb状态和调试状态
e、thumb状态：是16位与32位半字对齐的thumb和thumb-2指令的正常执行状态
f、调试状态：处理器停机调试时进入该状态
6、cortex-M3寄存器

a、低寄存器：寄存器R0-R7可以被指定寄存器的所有制令任意访问
b、高寄存器：寄存器R8-R12只能被某几个指令访问，即所有的32位指令MOV、ADD、CMP
c、SP寄存器有两种不同的状态，用作堆栈指针，自动与字，即4字节边界对齐
d、LR链接寄存器是子程序的链接寄存器，调用函数时返回的地址会被保存到链接寄存器中，即进入子函数之前将当前的PC的值进行存储。
e、在执行指令分支和链接指令或带有交换的分支和链接指令时，LR用于接收来自PC的返回地址。
f、LR也用于异常返回，其他任何时候都可以看做一个通用寄存器。
g、PC程序计数器，他的位0始终为0，因此指令始终与字或半字边界对齐
h、xPSR为程序状态寄存器，x代表可以有很多种。
i、系统级的处理器状态可分为3类，即有3个程序状态寄存器
j、对程序状态寄存器的访问使用MRS和MSR指令，在访问时可以把他们作为单独的寄存器，3个中的人两个组合，或3个组合，注意用户是不能直接使用，但是可以间接调用。
①、应用PSR：条件标志位都在高端，其余位保留，将条件代码的标识保留在堆栈中。在发生异常之前，程序在正常运行时都在这种状态。
②、中断PSR：发生了异常产生中断之后，会进入中断PSR。低位为中断号，高位保留。根据中断号激活相应的中断处理程序。
③、执行PSR：在发生读写存储器的时候，会发生一次属于他们的中断，即执行PSR状态，以及IF-THEN（执行事件）的时候也会进入，会对次高位和次低位ICT/IT进行置位，来确定响应的中断操作，这两个ICT/IT区域是重叠的，即进行IF-THEN的时候就不可被中断，IF-THEN 状态与中断状态不可同时存在。还有一个T位，用来表示当前是thumb还是thumb-2。
7、cortex-M3存储
a、支持32位字、16位半字、8位字节
b、存储格式为：将存储器看做从0开始向上编号的字节的线性集合。即字节0-3存放第一个被保存的字，字节4-7存放第二个被保存的字。
c、arm处理器默认的存储器格式为小端格式
8、cortex-M3存储器映射
a、通过存储器映射方式对功能模块进行统一编址，使CPU通过访问内存单元达到对外设寄存器的访问，即将外设映射为响应的内存地址
b、通过存储器的存储单元可以映射到外设寄存器。
c、重映射：CPU将外设寄存器重复编址到存储器的过程，即某一个外设寄存器在存储器里被映射了多个地址空间。这样有利于需要数据同步的时候，一个指令对变量的改变，会影响到其他的指令。类似于python里的
d、浅拷贝。
e、重映射就是为了快速响应中断（或快速完成某个任务）：将同一地址映射到不同速度的两个存储块，然后将低速存储块中的代码段复制到高速存储块中，对低速存储块的访问将被重映射为对高速存储块的访问。即当低速区域的寄存器要访问外设某个地址的时候，可以判断有没有重映射，如果有，可以从更高速的寄存器去访问外设，来节约时间。
f、重映射发生在两种情况：系统启动的过程中；中途遇到需要在不同的存储器之间进行切换的时候
9、位带映射：
a、CPU不能直接对位带区中的单个数据位位寻址，只能通过对位带别名区的访问（或读/写）实现对位带区单个数据位的访问（或读/写），这种操作被称为位带操作。
b、发生在位带区和位带别名区
c、位带区：支持位带操作的存储器地址区域。
d、位带别名区：存储器位带区的重映射地址区域。访问位带别名区域会引起对位带区域的访问（读/写）。
e、映射关系为位带区的一个位与位带别名区的一个字相互对应。
f、对于SRAM位带区的某个比特(bit)，记它所在的字节地址为A，位序号为n(0<=n<=7)，则该比特在位带别名区中的地址为：
AliasAddr=0x22000000+((A-0x20000000)*8+n)*4
上式中‘8’表示每个字节中有8个比特，‘4’表示4个字节（因为CM3是32位机，机器字为4个字节）。
(A-0x20000000)表示一共用这么多个字节，（A-0x20000000)*8+n表示一共有这么多位,在别名区中，每个位占4个字节地址，故((A-0x20000000)*8+n)*4表示该位在别名区中的偏移字节地址。偏移地址加上基地址就是该比特在位带别名区中的地址。
即：位带别名区的字地址==（位带区目标位所在的字地址&0xF0000000）+0x02000000+ [（位带区目标位所在的字地址&0xFFFFF）<<5 ] + （位带区目标位编号<<2）。
10、基于arm的高效C编程
a、选择合适的变量类型。不一定非要选择小的操作类型，因为牵扯到字节对齐的问题，比方说面对32位的操作系统，可能更适合处理16半字或者32全字，此时用unsigned int可能就比char好。
b、可以用指针来代替数组下标，可以减少数组小标的运算过程。