ARM_Linux_NOTE_1

ARM_Linux NOTE_1

Vine Farer

2016.08.05

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1、基本结构

• 内核 ——— CPU

• 软件

  • Linux：功能较多，较复杂

  • VX Works：稳定性高，用于航天和军用

  • μ COS：轻量级OS，因结构简单，也较稳定

• 硬件

  • ARM

  • MSP430

  • Mips：功耗很低

  • PowerPC

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2、计算机系统硬件组成

• 输入设备

• 输出设备

• 存储器

  CPU(寄存器组)<—>高速缓存cache<—>主存储器RAM<—>辅助存储器ROM

  （速度 快———————————————–>>>慢）

  • cache 本身由 SRAM 组成

  • cache 常和 wite buffer 一起使用，起作用就是为了针对高速的CPU和低速的主存之间速率不匹配的问题，进行缓冲

  • MMU （存储管理单元）：程序编译时将虚拟地址转为物理地址，多个程序可以有相同的虚拟地址（0~4G），但各自是不同的物理地址映射

  RAM ：
  　　　>　SRAM
  　　　>　DRAM（SDRAM)

  ROM：
  　　　>　EPROM
  　　　>　EEPROM
  　　　>　Flash：nand型、nor型

  磁盘、硬盘

  光盘

  相变

• 运算器ALU

• 控制器

• 总线

  • 单总线结构：效率低，低档单片机

  • 多总线结构：效率高，成本高，高档单片机

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3、数据和指令类型

• ARM数据类型

  byte 8bit

  halfword 16bit

  word 32bit

  doubleword 64bit

• 指令集：

  ARM指令集：32bit，4字节对齐

  Thumb指令集：16bit，2字节对齐

  cortex-a

  thumb-2 : arm + thumb

  java：8bit，4字节对齐

  thumb-ee

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4、ARM处理器工作模式

• 八种内核工作模式：

  user: 用户模式（非特权模式）。正常执行时用此模式

  system:系统模式，和user共享相同资源（即公用一套寄存器组）

  fiq：快速中断模式。高优先级中断介入时进入此模式

  irq：普通中断模式。通常中断处理

  supervisor{svc}：特权模式。复位、swi软中断

  abort：数据访问终止模式。读取数据失败，加载指令失败

  undef：未定义指令终止模式

  cortex-a: monitor：监控模式。在安全与非安全模式间切换

  （除user，其他7种均为特权模式）

• fiq比irq快的原因

  FIQ 优先级比 IRQ 高，不会被中断

  FIQ有自己的专属寄存器：r8~r12，不用对通用寄存器入栈保护，可以加快速度

  FIQ位于异常向量表的末尾0x1c，故无需跳转，可以在这里直接放置异常处理函数

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5、ARM寄存器

Contex-A8有40个32位寄存器

8种内核工作模式，每个模式对应一组相应寄存器组

32个通用寄存器

7个状态寄存器：1个CPSR（当前）、6个SPSR（备份）

1个PC（程序计数器）

程序状态寄存器结构（面试常考）

条件标志位：N（负数）、Z（0）、C（进位）、V（溢出）

大小端控制位：E

中断禁止位：I（普通中断）、F（快速中断）

状态位：T（选择ARM指令或Thumb指令）

模式控制位：M[ 4:0 ] 确定内核处于哪种工作模式（8种）

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6、异常处理

———— 操作程序状态寄存器

• 异常类型

  Reset、Data Abort、FIQ、IRQ、Prefetch Abort、SWI、Undefined instruction

  Reset异常优先级最高

• 异常产生：

  1）拷贝CPSR到SPSR_

  2）设置CPSR：

  设置第 5 位，进入ARM态

  设置M[4:0]，改变内核模式

  设置第 6、7 位的中断禁止位，禁止相应中断响应
  （为防止中断嵌套，一旦irq中断执行过程中另一个irq中断到来，pc被保存到lr中跳转到下个中断。但irq模式下的lr只有一个，一旦改变就被覆盖了，会丢失usr下原函数的返回地址，中断结束后无法返回）

  3）保存返回地址到LR_（设置r14）

  4）设置PC为相应的异常向量

• 异常返回：

  1）从SPSR_恢复CPSR

  2）从LR_恢复PC

  （这些操作仅在ARM态下进行）

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7、流水线（Pipeline）

———— 改善硬件资源使用率和处理器吞吐量

• 3级流水线（如ARM7系列）：

  取指令fetch：从存储器中读指令

  译码decode：解码指令中用到的寄存器

  执行execute：寄存器读、移位和ALU操作、寄存器写

• 5级流水线：

  取指令 <—> 译码 <—> 执行 <—> 缓冲 / 数据 <—> 回写

• 流水线工作实例

  1） 最佳流水线（ F—>D—>E ）

  6个周期执行6条指令

  所有操作在寄存器中

  指令周期数CPI = 1

  2） LDR流水线（ F、D、E、M、W ）

  M：将数据从内存读到CPU； W：将读到的数据写回寄存器

  6个周期4条指令

  CPI = 1.5

  3） 分支流水线（ F、D、E、L、A ）

  L：设置LR = PC_old； A：硬件自动PC = PC_old - 4

  需要对BL跳转语句做处理，所以流水线被阻断

  内核运行在ARM态

  4） 中断流水线（ F、D、E、DI、EI、L、A ）

  DI：解码中断指令； EI：处理中断

  中断到来，跳转到中断向量表，执行相应地址内的跳转语句，跳转到下个地址执行中断处理函数

  IRQ中断的反应时间最小是 7 个周期

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