ARM体系结构学习分享

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一提起ARM芯片就会跟出来好多介绍，例如是什么哈佛体系结构啊，什么Cortex-M系列啊，什么ARM指令集啊等介绍，而这些东西又都是什么意思呢，又是怎么起源的呢，让我们逐个的进行梳理，防止以后看到一款芯片，根本看不懂是什么意思。

 

一.ARM概念区分
1.经常有人提起stm32会有人叫他cortex-M3(M4)，为什么叫Cortex-m3呢

ARM公司在经典的ARM11以后的产品改用cortex命名，并分为A,R和M三类（针对不同市场需求），cortex系列属于ARMv7架构，ARMv7架构定义了三大分工明确的系列：“A”系列面向尖端的基于虚拟内存的操作系统和用户应用；“R”系列针对实时系统；“M”系列对微控制器。我们所用的stm32就属于M系列。

那上面的ARMv7又是什么鬼？
 
这么一分好像清晰了很多，架构是架构，系列是系列。

其中ARM7还包括，ARM7TDMI，ARM7TDMI-S,ARM720T,ARM7EJ-S 几种类型的核。
ARM9包括：ARM920T,ARM922T
ARM9E:ARM926EJ-S ARM946E-S ARM966E-S ARM968E-S ARM966HS
ARM10E:ARM1020E,ARM1022E,ARM1026EJ-S
ARM11：ARM11 MPCore.ARM1136(F)-s,ARM1156T2(F)-s,ARM1176JZ(F)-S

所以stm32就是基于ARMv7架构 Cortex-m处理器系列中的一员。
AX7020 的arm部分是cortex-A9
am335x cortex-A8
s3c2440 属于ARM9(ARM920T)处理器系列 ARMV4T架构
等等等等

这里要注意 架构 处理器系列 核的概念
例如s3c2440就是ARMV4架构，ARM9处理器系列ARM920T类型的核
stm32就是ARMV7架构，Cortex-M3处理器系列。

2.在处理器中又经常提到冯.诺依曼总线结构和哈佛总线结构
按照数据（全局变量，局部变量）和代码（函数）的存储方式的不同，可以分为冯.诺依曼结构和哈佛结构
冯.诺依曼结构：数据和代码放在一起。
哈佛结构：数据和代码分开存放。（取指令和数据访问可以同时进行）

3.处理器中又经常提到RISC和CISC，这两个又是什么？
RISC：精简指令集计算机原理（解决CISC的一些弊病）
CISC：复杂指令集计算机原理
ARM体系结构基于RISC
常见的X86就是CISC结构的处理器。

4.许多处理器都标注为16位和32位双指令集，又是什么意思，还有就是为什么需要双指令集呢。
32位ARM指令集执行效率高，但是代码密度相对较低，而16位Thumb指令集是ARM指令集的子集，具有很好的代码密度，而且保持了ARM的大多数性能上的优势。
他们之间的切换开销可以忽略不计，感觉像是好基友，互补的关系。

一般启动代码中对执行效率要求较高，采用汇编指令，这些指令属于ARM指令。Thumb指令一般也是在启动代码中配合ARM指令使用，一般我们不怎么留意。

二.程序编译过程

5.一个C/C++文件需要经过预处理，编译，汇编和连接四步才能变成可执行文件
2.Makefile一般的执行流程：
（1）预处理
（2）编译        .cà.s汇编文件
（3）汇编        .sà.o文件
（4）链接        多个.o文件生成elf格式文件
    （5）然后生成机器可识别的二进制文件。

上面这是我们在arm中执行make编译后的一个过程。

我们平时在编译stm32的时候流程也是差不多的
 
我们平时用的编译器其实可以理解为别人把好多工具链集成好了，然后给你整了一个用户界面，方便调试，linux开发中就是直接安装各种工具链(gcc)，然后通过命令行指令进行整个过程，由于命令较多，又引入了makefile.

6.

7.多少位CPU指的就是数据总线位数。（数据线越多，肯定一次传输处理的数据就越多），2的32次方，也就意味着地址空间最大4GB。

8.cortex 系统异常列表
 

三.工作模式

cortex-M3 支持两种工作模式：线程模式和处理模式
线程模式：
在复位时处理器进入线程模式
异常返回时处理器进入线程模式
特权和用户都能在线程模式下
处理模式:
出现异常时处理器进入处理模式
只有特权才能在处理模式

 

控制寄存器用于进行模式的切换

扩展：
ARM（2440等）处理器有7种工作模式：
ARM处理器的工作模式分为用户模式和特权模式，除用户模式外的6钟工作模式为特权模式。此外除用户模式和系统模式外的其他
5种工作模式称为异常模式。

利用CPSR程序状态寄存器进行模式切换。

四.寄存器

当我们在写51程序的时候，会遇到很多的寄存器，其实现在也一样本质就是操作很多寄存器，只是现在的代码封装层数太多，看不到而已
所以搞清楚寄存器，其他任何的操作你就都能理解。（debug时看到在汇编指令中来回跳转，其实多看看它的执行过程是很有帮助的）

寄存器：
 
R13 堆栈指针寄存器 R14（LR）链接寄存器 R15(PC)程序计数器，芯片不断的发展，但是这些基本的还是不会变的都会有这么几个寄存器。

Cortex-M3 内核有两个堆栈指针：MSP（主堆栈）和PSP

R14（LR）链接寄存器主要保存PC的返回地址。
主要保存子程序返回地址，也用于异常返回。（函数调用过程中用到了，执行完子函数后还能回到主函数继续执行）

R15(PC)总是指向正在取指的指令。

 

五.说完寄存器肯定要提到总线。
在使用芯片的过程中经常会提到总线的概念，那总线又是什么呢？
总线是CPU与存储器和设备通信的机制，是计算机各部件之间传输数据，地址和控制信息的公共通道。（一个处理器可能含有多条总线）

片上总线标准很多，ARM用的AMBA(片上总线)，该规范主要包括了，AHB（系统总线），APB（外设总线）--》程序中经常遇到，哈哈。

 

 

六.流水线
经常会提到几级流水线，流水线是什么东西？
处理器执行一条指令的三个阶段，取指，译码和执行（5级流水线，取指，译码，运算，写存储器，写寄存器）
 
1.第一周期，PC指向指令1，此时指令1进入流水线取指阶段
2.第二周期，PC指向指令2，此时进入译码阶段，同时取出指令2
3.第三周期，PC指向指令3，此时进入执行阶段，同时指令2进入译码阶段，指令3取指
4.第四周期，指令1执行完成，指令2和三同时推进一级，开始指令4取指。。
就想水一样，一级级推进。。（有同时执行的时候）

七，异常和中断
这个是比较重要的一环了，异常。
中断：来自于片上外设或外扩的外设
异常：由CM3内核的活动而产生的。