ARM Cortex A7 架构简介

Cortex-A7 MPCore 简介

MP表示是多核的意思，Cortex-A7 MPcore 处理器支持 1~4 核，A7主打低功耗，因此多用于运行普通应用，通常和Cortex-A15 组成 big.LITTLE 架构的，Cortex-A15 作为大核负责高性能运算。Cortex-A7 本身性能也不弱，不要看它叫做 Cortex-A7 但是它可是比 Cortex-A8 性能要强大，而且更省电。ARM 官网对于 Cortex-A7 的说明如下：
“在 28nm 工艺下， Cortex-A7 可以运行在 1.2~1.6GHz，并且单核面积不大于 0.45mm2(含有浮点单元、 NEON 和 32KB 的 L1 缓存)，在典型场景下功耗小于 100mW， 这使得它非常适合对功耗要求严格的移动设备，这意味着 Cortex-A7 在获得与 Cortex-A9 相似性能的情况下，其功耗更低”。

Cortex-A7 MPCore 支持在一个处理器上选配 1~4 个内核， Cortex-A7 MPCore 多核配置如图

Cortex-A7 MPCore 的 L1 可选择 8KB、 16KB、 32KB、 64KB， L2 Cache 可以不配，也可以选择 128KB、 256KB、 512KB、 1024KB。 Cortex-A7MPCore 使用 ARMv7-A 架构。

Cortex-A 处理器运行模型

以前的 ARM 处理器有 7 中运行模型： User、 FIQ、 IRQ、 Supervisor(SVC)、 Abort、 Undef和 System，其中 User 是非特权模式，其余 6 中都是特权模式。但新的 Cortex-A 架构加入了TrustZone 安全扩展，所以就新加了一种运行模式： Monitor，新的处理器架构还支持虚拟化扩展，因此又加入了另一个运行模式： Hyp，所以 Cortex-A7 处理器有** 9 种处理模式（上电后默认进入SVC模式），**如表

除了 User(USR)用户模式以外，其它 8 种运行模式都是特权模式。这几个运行模式可以通过软件进行任意切换，也可以通过中断或者异常来进行切换。大多数的程序都运行在用户模式，用户模式下是不能访问系统所有资源的，有些资源是受限的，要想访问这些受限的资源就必须进行模式切换。但是用户模式是不能直接进行切换的，用户模式下需要借助异常来完成模式切换，当要切换模式的时候，应用程序可以产生异常，在异常的处理过程中完成处理器模式切换。
当中断或者异常发生以后，处理器就会进入到相应的异常模式种，每一种模式都有一组寄存器供异常处理程序使用，这样的目的是为了保证在进入异常模式以后，用户模式下的寄存器不会被破坏。
如果学过 ARM-CortexM 和 UCOS、 FreeRTOS 就会知道， CortexM只有两种运行模式，特权模式和非特权模式，但是 Cortex-A 就有 9 种运行模式。

Cortex-A 寄存器组

ARM 架构提供了 16 个 32 位的通用寄存器(R0~R15)供软件使用，前 15 个(R0~R14)可以用作通用的数据存储， R15 是程序计数器 PC，用来保存将要执行的指令。 ARM 还提供了一个当前程序状态寄存器 CPSR 和一个备份程序状态寄存器 SPSR， SPSR 寄存器就是 CPSR 寄存器的备份

上一小节我们讲了 Cortex-A7 有 9 种运行模式，每一种运行模式都有一组与之对应的寄存器组。每一种模式可见的寄存器包括 15 个通用寄存器(R0~R14)、一两个程序状态寄存器和一个程序计数器 PC。在这些寄存器中，有些是所有模式所共用的同一个物理寄存器，有一些是各模式自己所独立拥有的，各个模式所拥有的寄存器如下表
图中浅色字体的是与 User 模式所共有的寄存器，蓝绿色背景的是各个模式所独有的寄存器。可以看出，在所有的模式中，低寄存器组(R0~R7)是共享同一组物理寄存器的，只是一些高寄存器组在不同的模式有自己独有的寄存器，比如 FIQ 模式下 R8~R14 是独立的物理寄存器

通用寄存器

可以将通用寄存器组分为三类，
①、 未备份寄存器，即 R0~R7
②、 备份寄存器，即 R8~R14
③、程序计数器 PC，即 R15

未备份寄存器

未备份寄存器指的是 R0~R7 这 8 个寄存器，因为在所有的处理器模式下这 8 个寄存器都是同一个物理寄存器，在不同的模式下，这 8 个寄存器中的数据就会被破坏。所以这 8 个寄存器并没有被用作特殊用途

备份寄存器

备份寄存器中的 R8~R12 这 5 个寄存器有两种物理寄存器，在快速中断模式下(FIQ)它们对应着 Rx_irq(x=8~12)物理寄存器，其他模式下对应着 Rx(8~12)物理寄存器。 FIQ 是快速中断模式，看名字就是知道这个中断模式要求快速执行！ FIQ 模式下中断处理程序可以使用 R8~R12寄存器，因为 FIQ 模式下的 R8~R12 是独立的，因此中断处理程序可以不用执行保存和恢复中断现场的指令，从而加速中断的执行过程。
备份寄存器 R13 一共有 8 个物理寄存器，其中一个是用户模式(User)和系统模式(Sys)共用的，剩下的 7 个分别对应 7 种不同模式。 R13 也叫做 SP，用来做为栈指针。基本上每种模式都有一个自己的 R13 物理寄存器，应用程序会初始化 R13，使其指向该模式专用的栈地址，这就是常说的初始化 SP 指针。
备份寄存器 R14 一共有 7 个物理寄存器，其中一个是用户模式(User)、系统模式(Sys)和超级监视模式(Hyp)所共有的，剩下的 6 个分别对应 6 种不同的模式。R14 也称为连接寄存器(LR)，LR 寄存器在 ARM 中主要用作如下两种用途，
①、每种处理器模式使用 R14(LR)来存放当前子程序的返回地址，如果使用 BL 或者 BLX来调用子函数的话， R14(LR)被设置成该子函数的返回地址，在子函数中，将 R14(LR)中的值赋给 R15(PC)即可完成子函数返回
②、当异常发生以后，该异常模式对应的 R14 寄存器被设置成该异常模式将要返回的地址，R14 也可以当作普通寄存器使用

程序计数器 R15

程序计数器 R15 也叫做 PC， 下边我们介绍下ARM的三级流水线机制，ARM 处理器 3 级流水线：取指->译码->执行，如下图

PC始终指向正在取指的地址，由于流水线的存在，导致PC的值比当前正在执行的值要大两条指令的地址，而在arm状态下，由于是四字节的指令因此PC保存着当前执行的指令地址值加 8 个字节，而在thumb状态下，是两字节的指令因此加4字节即可

程序状态寄存器psr

所有的处理器模式都共用一个 CPSR 物理寄存器，因此 CPSR 可以在任何模式下被访问。CPSR 是当前程序状态寄存器，该寄存器包含了条件标志位、中断禁止位、当前处理器模式标志等一些状态位以及一些控制位。所有的处理器模式都共用一个 CPSR 必然会导致冲突，为此，除了 User 和 Sys 这两个模式以外，其他 7 个模式每个都配备了一个专用的物理状态寄存器SPSR(备份程序状态寄存器)，当特定的异常中断发生时， SPSR 寄存器用来保存当前程序状态寄存器(CPSR)的值，当异常退出以后可以用 SPSR 中保存的值来恢复 CPSR。
因为 User 和 Sys 这两个模式不是异常模式，所以并没有配备 SPSR，因此不能在 User 和Sys 模式下访问 SPSR，会导致不可预知的结果。由于 SPSR 是 CPSR 的备份，因此 SPSR 和CPSR 的寄存器结构相同，如下图

N(bit31)：当两个补码表示的 有符号整数运算的时候， N=1 表示运算对的结果为负数， N=0表示结果为正数。
Z(bit30)： Z=1 表示运算结果为零， Z=0 表示运算结果不为零，对于 CMP 指令， Z=1 表示进行比较的两个数大小相等。
C(bit29)：在加法指令中，当结果产生了进位，则 C=1，表示无符号数运算发生上溢，其它情况下 C=0。在减法指令中，当运算中发生借位，则 C=0，表示无符号数运算发生下溢，其它情况下 C=1。对于包含移位操作的非加/减法运算指令， C 中包含最后一次溢出的位的数值，对于其它非加/减运算指令， C 位的值通常不受影响。
V(bit28)： 对于加/减法运算指令，当操作数和运算结果表示为二进制的补码表示的带符号数时， V=1 表示符号位溢出，通常其他位不影响 V 位。
Q(bit27)： 仅 ARM v5TE_J 架构支持，表示饱和状态， Q=1 表示累积饱和， Q=0 表示累积不饱和。
IT1:0： 和 IT7:2一起组成 IT[7:0]，作为 IF-THEN 指令执行状态。
J(bit24)： 仅 ARM_v5TE-J 架构支持， J=1 表示处于 Jazelle 状态，此位通常和 T(bit5)位一起表示当前所使用的指令集，00-ARM，01-Thumb，11-ThumbEE，10-Jazelle
GE[3:0](bit19:16)： SIMD 指令有效，大于或等于。
IT[7:2](bit15:10)： 参考 IT[1:0]。
E(bit9)： 大小端控制位， E=1 表示大端模式， E=0 表示小端模式。
A(bit8)： 禁止异步中断位， A=1 表示禁止异步中断。
I(bit7)： I=1 禁止 IRQ， I=0 使能 IRQ。
F(bit6)： F=1 禁止 FIQ， F=0 使能 FIQ。
T(bit5)： 控制指令执行状态，表明本指令是 ARM 指令还是 Thumb 指令，通常和 J(bit24)一起表明指令类型，参考 J(bit24)位。
M[4:0]： 处理器模式控制位，如下表

注：出处多为引用《正点原子》出品相关文档！
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