【ARM汇编】第二章：ARM微处理器

嵌入式系统概述

基本概念

嵌入式系统：以应用为中心，以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统

嵌入式系统的重要特征：

• 系统内核小：因为系统资源有限，内核不能太大
• 专用性强：针对具体应用场景，做软硬件剪裁
• 系统精简：一般没有系统软件和应用软件之分，全部为应用服务
• 多任务操作系统：要保证程序的实时性、可靠性
• 专用的开发工具和环境：需要主机做开发，程序烧到目标板

嵌入式系统的发展

发展历史

70年代的单片机，51单片机，跑操作系统的单片机，RTOS

发展趋势

• 嵌入式开发称为一项系统工程，除了软硬件本身，还需要开发环境支持
• 网络化、信息化，产品功能不再单一，产品要适应网络发展
• 精简系统内核、算法，降低功耗和成本
• 友好的人机界面

组成结构

一般分4个部分：处理器、存储器、IO、软件

设备驱动层

使用任何外部设备都需要有响应的驱动程序支持，它为上层提供设备的操作接口
驱动层一般包括硬件抽象层HAL、板级支持包BSP、设备驱动程序

硬件抽象层HAL

• 硬件抽象层HAL（hardware abstraction layer）是位于操作系统内核与硬件电路之间的接口层，其目的在于将硬件抽象化
• 这样使得设备驱动程序与硬件设备无关，从而大大提高系统的可移植性
• 抽象层一般应包括相关硬件的初始化、数据的输入/输出操作、硬件设备的配置操作等功能

板级支持包BSP

• 板级支持包BSP（board support package）是介于主板硬件和操作系统中驱动程序之间的一层，一般认为它属于操作系统的一部分，主要是实现对操作系统的支持，为上层的驱动程序提供访问硬件设备寄存器的函数包，使之能够更好地运行于硬件主板
• BSP是相对于OS而言的，不同的OS有不同形式定义的BSP
• BSP实现的功能大体有两个方面：
  1. 系统启动时，完成硬件的初始化（系统内存、寄存器、中断等）
  2. 为驱动程序提供访问硬件的函数

设备驱动程序

驱动程序为上层软件提供设备的操作接口，上层软件只需调用驱动提供的接口，而不用理会设备内部的操作

实时操作系统RTOS

OS一般以内核映像的形式下载到目标系统中

OS的应用程序接口API

API（application programming interface）是一系列复杂的函数、消息、结构的结合体
OS中提供的标准API函数，可以加快应用程序的开发，便于移植和升级

应用程序APP

应用程序完成用户自定义的任务，任务之间的协调依赖于系统的消息队列

嵌入式处理器

微处理器

micro processor unit，MPU，由通用计算机中的CPU演化而来
具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点

微控制器

microcontroller unit，MCU，典型代表是单片机
和MPU相比，它的特点是单片化，片上外设丰富，适合于做控制

DSP

digital signal processor，DSP处理器专门用于信号处理方面，其系统结构和指令算法方面做了特殊设计，具有很高的编译效率和指令的执行速度，在数字滤波、傅里叶变换、频谱分析等各种仪器上大规模应用

SOC

system on chip，片上系统，追求产品系统最大包容的集成器件，最大的特点是实现了软硬件的无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块，大部分SOC都是专用的

典型嵌入式处理器介绍

MIPS处理器

无内部互锁流水级的处理器（microprocessor without interlockd piped stages），目前使用量仅次于ARM处理器

Power PC处理器

特点是可伸缩性好、方便灵活

Sparc处理器

SUN公司的s系列

ARM处理器

advanced RISC machines（ARM）公司的产品，采用IP授权的方式允许半导体公司生产基于ARM内核的处理器

ARM概述

计算机体系结构的分类

冯洛伊曼结构

• 将数据和指令，存放在一个存储器中
• 这种结构的计算机由一个CPU和一个存储器组成

哈弗结构

• 数据和指令分开存储，有各自独立的存储器

ARM技术的发展过程

略，不同指令集的发展史

ARM内核的特点

RISC技术

CISC：（complex instruction set computer，复杂指令集计算机），随着计算机技术的发展而不断引入新的复杂的指令集，体系结构原来越复杂，部分指令会反复使用，大部分指令不怎么使用，因此结构不合理

RISC：（reduced instruction set computer，精简指令集计算机），选择使用频率最高的简单指令，避免复杂指令，将指令长度固定，指令格式和寻址方式种类减少

流水线技术

简单的三级流水线如下：

• 取指级：完成程序存储器中指令的读取，并放入指令流水线中
• 译码级：对指令进行译码，为下一周期准备数据路径需要的控制信号，这一级指令“占有”译码逻辑，而不“占有”数据路径
• 执行级：指令“占有”数据路径，寄存器堆栈被读取，操作数在桶形移位器重被移位，ALU产生相应的运算结果并写会目的寄存器，ALU结果根据指令需求更改状态寄存器中的条件位

每个时钟周期，某一级流水线完成一条指令
一条指令需要3个时钟周期的执行时间，但是因为有了三级流水线，所以吞吐率（throughput）是每个周期一条指令

超标量技术

通过重复设置多套指令执行部件，同时处理并完成多条指令，实现并行操作来达到提高处理速度的目的
在一个时钟周期内，同时执行多条指令，因此CPU的效率大大提高

基于ARM的微处理器

基于ARM核的硬件结构

各大厂商从ARM公司买其设计的ARM微处理器核，根据不同的应用，加入适当的外围电路，形成自己的ARM微处理器芯片

这个器件可以分为4个部分

• ARM处理器：控制整个器件，包含内核、外围部件
• 控制器：协调系统的重要功能模块，最常见的是中断控制器和存储器控制器
• 外设接口部件：提供芯片与外部的输入输出
• 总线：用在器件不同部件之间进行通信，包含高性能总线AHB，连接高性能的片内外设，外设总线APB连接较慢的片内外设，还有一条总线用于连接片外外设，它需要一个特殊的桥，用于和AHB总线连接

ARM核的数据流模型

load指令，存储器 -> 寄存器
store指令，寄存器 -> 存储器
典型的源寄存器Rn、Rm，目的寄存器Rd

工作模式

• 用户模式（usr）：正常的程序执行状态
• 快速中断模式（fiq）：用于高速数据传输或通道处理
• 外部中断模式（irq）：用于通用的中断处理
• 管理模式（svc）：操作系统使用的保护模式
• 终止模式（abt）：当数据或指令预取终止时进入该模式，用于虚拟存储及存储保护
• 未定义指令模式（und）：当未定义的指令执行时进入该模式，用于支持硬件协处理器的软件仿真
• 系统模式（sys）：运行具有特权的操作系统任务

除用户模式和系统模式，其余5种称为异常模式，常用语处理中断异常或访问受保护的资源

工作状态

ARM状态：执行32位的ARM指令集
Thumb状态：执行16位的Thumb指令集

在开始执行时，只能是ARM状态，执行过程中，可与切换

ARM寄存器

• 分为通用寄存器和状态寄存器，一共37个
• 通用寄存器保存数据和地址，有31个
• 状态寄存器用以标识或设置处理器的工作模式、状态，有6个
• 这37个寄存器不能被同时访问，最多有18个活动的寄存器，16个数据寄存器，2个处理器状态寄存器

通用寄存器

用以保存数据和地址，用字母R为前缀，加该寄存器的序号来标识
例如寄存器0，标识为R0，范围是R0-R15
可以分为三类

未分组寄存器

包括R0 - R7，在所有工作模式下，未分组寄存器都指向同一个物理寄存器
在中断或异常处理时，因为使用相同的物理寄存器，可能造成数据破坏

分组寄存器

包括R8 - R14，它们每一次访问的物理寄存器与当前的工作模式有关
采用标记来区分不同的物理寄存器，如 R13

R13一般用作堆栈指针
R14称作子程序连接寄存器（subroutine link register）或连接寄存器LR
当执行BL子程序调用指令时，R14中得到R15（程序计数器PC）的备份

程序计数器

R15用作程序计数器（PC），用于控制程序中指令的执行顺序
正常情况下，PC指向CPU运行的下一条指令，每次执行后，PC的值会自动修改
当程序执行顺序改变，则PC也需要改变

状态寄存器

包含一个当前程序状态寄存器CPSR，和5个备份的程序状态寄存器SPSRs
CSPR可以在任何工作模式下被访问，用来保存ALU中的当前操作信息、允许/禁止中断、设置处理器的工作模式
备份寄存器用来进行异常处理

条件码标志

N Z C V 均为条件码标志位，他们的内容可以被算术或逻辑运算的结果改变，并且可以决定某条指令是否被执行

• N：Negative，正负标志位，N=1结果为负数，N=1结果为非负数
• Z：Zero，零标志，Z=1结果为0，Z=0结果非零
• C：CarryBorrow，进位、借位标志，加法C=1进位，减法C=0借位
• V：Overflow，V=1溢出，V=0未溢出

控制位

CPSR 的低8位（I，F，T，M[4：0]）称为控制位，当发生异常时，这些位可以被改变

中断禁止位

包括I、F，用来禁止或允许IRQ和FIQ两类中断

• I ：I=1表示禁止IRQ中断
• F ：F=1表示禁止FIQ中断

T标志位

T标志位用来标识/设置处理器的工作状态
对于ARM体系结构v4及以上版本的T系列处理器，该位为1时，程序运行于Thumb状态，该位为0时，运行于ARM状态
ARM指令集和Thumb指令集均有切换处理器状态的指令，可以修改T位

工作模式位

M [4：0] 用来标识或设置处理器的工作模式，常用的是系统模式和用户模式

注意，不能使用无效的模式，否则不可恢复

保留位

不要使用保留位保存数据

每一种工作模式下，有一个专门的物理状态寄存器，称为SPSR（saved program status register）
当发生异常时，SPSR保存CPSR的值，恢复时，用来恢复CPSR
用户模式和系统模式不属于异常模式，没有SPSR

Thumb寄存器

Thumb状态下的寄存器集，是ARM状态下寄存器集的一个子集，程序可以直接访问8个通用寄存器（R0~R7）、程序计数器（PC）、堆栈指针（SP）、连接寄存器（LR）、状态寄存器（CPSR），同时，在每一种特权模式下都有一组SP、LR、SPSR

Thumb状态下的寄存器组织与ARM状态下的寄存器组织的关系

• Thumb状态下和ARM状态下的R0-R7是相同的
• Thumb状态下和ARM状态下的CPSR和所有的SPSR是相同的
• Thumb状态下的SP对应于ARM状态下的R13
• Thumb状态下的LR对应于ARM状态下的R14
• Thumb状态下的PC对应于ARM状态下的R15

ARM的存储系统简介

存储器Memory是计算机用来存放二进制数据和程序的部件
一般分为RAM和ROM

• 随机存取存储器：RAM（random access memory）
  1. 静态随机存储器：SRAM
  2. 动态随机存储器：DRAM
  3. 双倍速率随机存储器：DDRAM
• 只读存储器：ROM（read only memory）
  掩膜ROM、PROM、EPROM、EEPROM、Flash memory

存储器的层次结构

一般情况下，基于ARM的嵌入式系统用到的芯片如下

• ROM：只读存储器，一般情况不再次编程，一般用来放启动代码
• Flash：可读可写，但是速度较慢，因此不适合动态数据，一般用来存放断电后需要保存的数据
• DRAM：在RAM里价格低，但是动态刷新，因此使用前要先设置好DRAM控制器
• SRAM：比DRAM快，而且不需要刷新，价格高容量小，一般用于高速存储器和cache
• SDRAM：使用时钟，频率与CPU总线同步，传输效率较高

数据类型与存储器格式

地址空间

ARM体系结构将存储器看作是零地址开始字节的线性组合
32位处理器支持的最大寻址空间为4gb
每执行一条ARM指令，PC增加4，执行一条Thumb指令，PC增加2

数据类型

ARM处理器的指令长度是32位（ARM指令），也可以是16位（Thumb指令）
支持8位、16位、32位数据

存储格式

大端格式

数据的高字节存储在低地址中，低字节存储在高地址中

例如：0x1234，在如下的地址存放

小端格式

与大端模式相反，数据的高字节存储在高地址中，低字节存储在低地址中
ARM处理器可以配置为任意一种模式，但是小端模式是默认格式

例如：0x1234，在如下地址存放

非对齐的存储器访问

所谓非对齐的存储访问操作，是指：

• 位于ARM状态期间，访问地址的低二位不为00
• 位于Thumb期间，访问地址的最低位不为0
  非对齐的指令预取操作和数据访问操作的约定如下

非对齐指令预取操作

如果写入寄存器PC的值是非对齐的，要么执行结果不可预知，要么地址中响应的位被忽略
是否要忽略，由系统决定

非对齐数据访问操作

对于laod/store操作，如果出现非对齐的数据访问操作，有两种可能

• 执行结果不可预知
• 忽略数据地址的低2位或者最后一位