ARM内核与架构

1、ARM架构分类

ARM架构发展至今分为 ARMv1~ARMv8 ，不同架构之间指令集存在差异。根据架构类型又开发出不同内核，常用的 ARMv7 架构有三种类型的内核：

1）Cortex-A：用于高性能应用，主要支持分页内存管理单元MMU，linux需要MMU的支持才能运行。

2）Cortex-R：侧重于实时性应用，如汽车系统。

3）Cortex-M：侧重于微控制器，常用的STM32就是此内核。

2、Cortex-A7 处理器运行模式

​ 不同模式之间可通过软件、中断和异常进行切换。大多数程序运行在用户模式。

1）用户模式（USER），运行在操作系统的用户态，没有权限访问其它硬件资源，只能通过中断或异常进入其他模式。

2）快速中断模式（FIQ），用于处理高速数据传输和通道处理。

3）一般中断模式（IRQ），通常在硬件产生中断后进入此模式。

4）超级管理员模式（SVC），CPU上电后默认模式，用于系统初始化。

5）监视模式（MON）

6）数据访问终止模式（ABT），当用户程序访问非法地址，没有权限读取的内存地址时，进入此模式，常见的 segment fault 是在此模式抛出。

7）超级监视模式（HYP）

8）未定义指令终止模式（UND），CPU在指令译码阶段不能识别该操作指令时，进入此模式。

9）系统模式（SYS），比用户模式有更高的权限，可访问所有系统资源。

3、Cortex-A7 寄存器组

​ 图中灰色寄存器为物理共享寄存器，蓝色寄存器为独有寄存器。总共有34个通用寄存器和8个状态寄存器，HYP模式下还有一个 ELR_hyp 寄存器。

1）通用寄存器（R0~R15）

​ A、未备份寄存器（R0~R7），所有模式都使用同一个物理寄存器，数据会被破坏。

​ B、备份寄存器（R8~R14），当运行在快速中断模式下，访问 R8~R12 时是访问此模式独有的寄存器，因此快速中断模式要比普通中断模式快，因为少了保存和恢复寄存器数据的过程。R13 存放 SP 指针，不同模式有自己独立的栈空间。R14 存放当前子程序的返回地址，在子函数中，将 LR 幅值给 PC 即可完成子函数返回。

​ C、程序计数器 R15，由于3级流水线：取指令——译码——执行，PC 总是指向当前执行的指令地址再加上两条指令的地址，即当前执行的指令地址 = PC - 8。

2）程序状态寄存器（CPSR），所有运行模式都共用一个 CPSR，而 SPSR 用于保存当前状态寄存器的值，在异常退出后也能够恢复 CPSR。CPSR 包含了条件标志位、中断禁止位、当前处理器模式标志位、一些控制位等。

4、哈佛架构和冯诺依曼架构

1）哈佛架构：指令和数据独立编址，使用两条独立的总线传输，读取指令和数据可同时进行。

2）冯诺依曼结构：指令和数据统一编址，使用同条总线传输，无法同时进行读取指令和数据。

嵌入式计算机主要采用哈佛结构，有较高的可靠性、较大的吞吐量和运算速度，ARM7采用的是冯诺依曼结构。

5、ARM指令集分类

大部分ARM架构同时支持 ARM 指令集和 Thumb 指令集。执行不同指令集需要切换状态。异常中断处理只能使用 ARM 指令集。

1）Thumb 指令集，指令长度为16位

2）ARM 指令集，指令长度为32位，ARMv8架构新增了64位指令

3）Thumb2 指令集，混合了16位指令和32位指令，能够处理异常中断，CM3 只用了 Thumb2指令集

6、ARM工作状态分类

1）ARM状态，执行32位字对齐的 ARM 指令，绝大部分工作在此状态。

2）Thumb状态，执行16位半字对其的 Thumb 指令。

7、ARM系统中，函数调用时参数传递方式

参数个数小于等于4个时，用 R0~R3 进行传递，大于4个时，超出部分用压栈的方式进行传递。

8、ARM协处理器指令作用

1）用于 ARM 处理器初始化，ARM 协处理器数据处理操作。

2）ARM 处理器的寄存器和协处理器的寄存器之间传送数据。

3）ARM 协处理器的寄存器和存储器之间传送数据。

初始化，ARM 协处理器数据处理操作。

2）ARM 处理器的寄存器和协处理器的寄存器之间传送数据。

3）ARM 协处理器的寄存器和存储器之间传送数据。