ARM裸机篇（一）——i.MX6ULL介绍

linux系列目录：
linux基础篇（一）——GCC和Makefile编译过程
linux基础篇（二）——静态和动态链接
ARM裸机篇（一）——i.MX6ULL介绍
ARM裸机篇（二）——i.MX6ULL启动过程
ARM裸机篇（三）——i.MX6ULL第一个裸机程序
ARM裸机篇（四）——重定位和地址无关码
ARM裸机篇（五）——异常和中断
linux系统移植篇（一）—— linux系统组成
linux系统移植篇（二）—— Uboot使用介绍
linux系统移植篇（三）—— Linux 内核使用介绍
linux系统移植篇（四）—— 根文件系统使用介绍
linux驱动开发篇（一）—— Linux 内核模块介绍
linux驱动开发篇（二）—— 字符设备驱动框架
linux驱动开发篇（三）—— 总线设备驱动模型
linux驱动开发篇（四）—— platform平台设备驱动

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一、i.MX6ULL处理器介绍

i.MX6ULL是NXP基于ARM Cortex-A7架构的单核处理器家族，主频可以高900MHz。

i.MX6ULL应用处理器包含了电源管理模块，可以降低外部电源电路设计的复杂度，并且简化了供电时序。该系列中的每个处理器都提供了丰富的内存接口，包含16-bit的LPDDR2、DDR3、DDR3L，Nand Flash、Nor Flash、eMMC、Quad SPI，还有其它广泛的接口用于连接外设的，比如WLAN、蓝牙、GPS、显示、摄像头等。

二、ARM架构介绍

1、处理器命名的发展

以前， ARM使用一种基于数字的命名法。在早期（1990s），还在数字后面添加字母后缀，用来
进一步明细该处理器支持的特性。就拿ARM7TDMI来说， T代表Thumb指令集， D是说支持JTAG调试(Debugging)， M意指快速乘法器， I则对应一个嵌入式ICE模块。后来，这4项基本功能成了任何新产品的标配，于是就不再使用这4个后缀——相当于默许了。但是新的后缀不断加入， 包括定义存储器接口的，定义高速缓存的，以及定义“紧耦合存储器（TCM） ”的，于是形成了新一套命名法，这套
命名法也是一直在使用的。
到了架构7时代， ARM改革了一度使用的， 冗长的、 需要“解码”的数字命名法，转到另一种看起
来比较整齐的命名法。比如， ARMv7的三个款式都以Cortex作为主名。这不仅更加澄清并且“精装”
了所使用的ARM架构，也避免了新手对架构号和系列号的混淆。

2、ARM处理器程序运行的过程

ARM芯片属于精简指令集计算机(RISC：Reduced Instruction Set Computing)，它所用的指令比较简单，有如下特点：
① 对内存只有读、写指令
② 对于数据的运算是在CPU内部实现
③ 使用RISC指令的CPU复杂度小一点，易于设计
比如对于a=a+b这样的算式，需要经过下面4个步骤才可以实现：

深入ARM处理器的内部。简单概括如下，我们先忽略各种CPU模式(系统模式、用户模式等等)。

CPU运行时，先去取得指令，再执行指令：
① 把内存a的值读入CPU寄存器R0
② 把内存b的值读入CPU寄存器R1
③ 把R0、R1累加，存入R0
④ 把R0的值写入内存a

3、指令集的发展

由于历史原因（从ARM7TDMI开始）， ARM处理器一直支持两种形式上相对独立的指令集， 它
们分别是：

• 32位的ARM指令集。对应处理器状态： ARM状态
• 16位的Thumb指令集。对应处理器状态： Thumb状态
  由PC程序计数器的位 0 来指示 ARM/Thumb 状态。汇编器也可以根据当前指定的指令集，来智能的给LSB（最低有效位）置位。

这两种指令集也对应了两种处理器执行状态。在程序的执行过程中，处理器可以动态地在两种执行状态之中切换。 实际上， Thumb指令集在功能上是ARM指令集的一个子集，但它能带来更高的代码密度，给目标代码减肥。这对于要勒紧裤腰带的应用还是很经济的。

Thumb-2是Thumb的超集，它支持both 16位和32位指令。

三、ARM处理器模式和寄存器

1.处理器模式

ARM体系结构是一种基于模式的体系结构。在引入安全扩展之前，它具有7种处理器模式，如上表所示。有六个特权模式和一个非特权用户模式。特权是执行用户（非特权）模式无法完成的某些任务的能力。在用户模式下，对影响整个系统配置的操作存在一些限制，例如，MMU的配置和缓存操作。
模式与异常事件相关，可以这样简单理解：
① 板子上电时，CPU处于SVC模式，它用的是SVC模式下的寄存器
② 程序运行时发生了中断，CPU进入IRQ模式，它用的IRQ模式下的寄存器
③ CPU处理完中断，它切换回SVC模式，继续使用SVC模式下的寄存器
④ CPU发生某种异常时，比如读取内存出错，它会进入ABT模式，使用ABT模式下的寄存器来处理错误。
在某种模式下，CPU执行时使用的是这种模式的资源，比如使用的是这组模式的寄存器。
这样就可以免去保存上一个模式所使用的寄存器。

2.寄存器

ARM体系结构提供了十六个32位通用寄存器（R0-R15）供软件使用。其中的15个（R0-R14）可用于通用数据存储，而R15是程序计数器，其值随处理器执行指令而改变。显式地写入R15可以更改程序流程。软件还可以访问CPSR和SPSR。SPSR中保存的上一个运行模式的CPSR的副本。
同一个寄存器可能在不同模式下对应物理上不同的位置。只有特定模式下才能访问到这些位置的寄存器。
有些寄存器，不同的工作模式下有自己的副本，当切换到另一个工作模式时，那个工作模式的寄存器副本将被使用，这些寄存器被称为备份寄存器。备份寄存器在物理上使用不同的存储，通常仅在特定模式下才可以访问它们。下图中带阴影标记的寄存器都是备份寄存器。

R13（在所有模式下）是堆栈指针，但是当堆栈操作不需要时，它可以用作通用寄存器。
R14（链接寄存器）保存BL分支指令的下一条指令的地址。当它不支持子程序的返回时，它也可以用作通用寄存器。R14_svc，R14_irq，R14_fiq，R14_abt和R14_und同样用于在发生中断和异常时，或者执行转移和链接指令时，备份R15的返回值。
R15是程序计数器并保存当前程序地址（实际上，在ARM状态下，它始终指向当前指令之后的八个字节，而在Thumb状态下，它始终指向当前指令之后的四个字节，这是原始ARM1的三级流水线的遗留特性）。在ARM状态下读取R15时，位[1：0]为零，位[31：2]包含PC值。在Thumb状态下，位[0]始终读为零。
R0-R14的复位值是不定的。在使用堆栈之前，必须通过引导代码初始化SP（堆栈指针）。因为每种模式下的R13即SP寄存器都有自己的实体，所以你用到哪种模式，就需要单独为该模式设置SP。ARM体系结构过程调用标准（AAPCS）或ARM嵌入式ABI（AEABI）指定了软件应如何使用通用寄存器，以便在不同的工具链或编程语言之间进行互操作。

2.1、状态寄存器

程序状态寄存器（CPSR，current programmer status register）包含处理器的状态和一些控制标记位。

N，bit[31]负数标记位
Z，bit[30]零标记位
C，bit[29]进位标记位
V，bit[28]溢出标记位
这些条件标记位可以在任何模式下读写。
GE[3:0],bit[19:16]一些SIMD指令使用
IT[7:2]，bit[15:10]Thumb2指令集的If-then条件指令使用
J, bit[24] 处理器是否处于Jazelle状态，和T, bit[5]一起决定执行的指令集
E, bit[9] 大小端状态位，0表示小端，1表示大端。
Mask bits, bits[8:6]
A, bit[8] 异步中止禁止位Asynchronous abort mask bit.
I, bit[7] IRQ 禁止位
F, bit[6] FIQ 禁止位
Q，bit[27]为1的话，表明执行一些指令时出现饱和或者溢出，一般与DSP有关。
T, bit[5] Thumb指令位，和J，bit[24]位决定了处理器的指令集，ARM，Thumb，Jazzelle或者ThumbEE
M[4:0], bits[4:0]工作模式位，决定了处理器当前处于的工作模式。

处理器可以使用直接写入CPSR模式位来实现模式之间切换。更常见的是，处理器会由于异常事件而自动切换模式。在用户模式下，无法改变处理器模式的PSR位[4：0]来切换模式和A，I和F位来使能或者禁止异步中止、IRQ和FIQ。

2.2 协处理器

协处理器，顾名思义它也是一个处理器，不过它是为了“协助”主处理器而存在的。ARM架构里有16个协处理器，CP0～CP15。编程时涉及CP15比较多。
CP15 协处理器一般用于存储系统管理， 但是在中断中也会使用到， CP15 协处理器一共有16 个 32 位寄存器。 CP15 协处理器的访问通过如下另个指令完成：
MRC: 将 CP15 协处理器中的寄存器数据读到 ARM 寄存器中。
MCR: 将 ARM 寄存器的数据写入到 CP15 协处理器寄存器中。
MRC 就是读 CP15 寄存器， MCR 就是写 CP15 寄存器， MCR 指令格式如下：
MCR{cond} p15, < opc1 >, < Rt >, < CRn >, < CRm >, < opc2 >
cond:指令执行的条件码，如果忽略的话就表示无条件执行。
opc1：协处理器要执行的操作码。
Rt： ARM 源寄存器，要写入到 CP15 寄存器的数据就保存在此寄存器中。
CRn： CP15 协处理器的目标寄存器。
CRm： 协处理器中附加的目标寄存器或者源操作数寄存器，如果不需要附加信息就将CRm 设置为 C0，否则结果不可预测。
opc2： 可选的协处理器特定操作码，当不需要的时候要设置为 0。

MRC 的指令格式和 MCR 一样，只不过在 MRC 指令中 Rt 就是目标寄存器，也就是从CP15 指定寄存器读出来的数据会保存在 Rt 中。而 CRn 就是源寄存器，也就是要读取的写处理器寄存器。
MRC 的指令格式和 MCR 一样，只不过在 MRC 指令中 Rt 就是目标寄存器，也就是从CP15 指定寄存器读出来的数据会保存在 Rt 中。而 CRn 就是源寄存器，也就是要读取的写处理器寄存器。
假如我们要将 CP15 中 C0 寄存器的值读取到 R0 寄存器中，那么就可以使用如下命令：
MRC p15, 0, r0, c0, c0, 0

c1 寄存器
c1 寄存器同样通过不同的配置，其代表的含义也不同，如图：

当 MRC/MCR 指令中的 CRn=c1， opc1=0， CRm=c0， opc2=0 的时候就表示此时的 c1 就是 SCTLR 寄存器，也就是系统控制寄存器，这个是 c1 的基本作用。 SCTLR 寄存器主要是完成控制功能的，比如使能或者禁止 MMU、 I/D Cache 等。

bit13： V , 中断向量表基地址选择位，为 0 的话中断向量表基地址为 0X00000000，软件可
以使用 VBAR 来重映射此基地址，也就是中断向量表重定位。为 1 的话中断向量表基地址为
0XFFFF0000，此基地址不能被重映射。
bit12： I， I Cache 使能位，为 0 的话关闭 I Cache，为 1 的话使能 I Cache。
bit11： Z，分支预测使能位，如果开启 MMU 的话，此位也会使能。
bit10： SW， SWP 和 SWPB 使能位，当为 0 的话关闭 SWP 和 SWPB 指令，当为 1 的时候就使能 SWP 和 SWPB 指令。
bit9:3：未使用，保留。
bit2： C， D Cache 和缓存一致性使能位，为 0 的时候禁止 D Cache 和缓存一致性，为 1 时使能。
bit1： A，内存对齐检查使能位，为 0 的时候关闭内存对齐检查，为 1 的时候使能内存对齐检查。
bit0： M， MMU 使能位，为 0 的时候禁止 MMU，为 1 的时候使能 MMU。
c12 寄存器
c12 寄存器通过不同的配置，其代表的含义也不同，如图：

在图 中当 MRC/MCR 指令中的 CRn=c12， opc1=0， CRm=c0， opc2=0 的时候就表示此时 c12 为 VBAR 寄存器，也就是向量表基地址寄存器，在讲解到中断的时候，会用到此寄存器。
设置中断向量表偏移的时候就需要将新的中断向量表基地址写入 VBAR 中，假设代码链接的起始地址为0X87800000 ，而中断向量表肯定要放到最前面，也就是 0X87800000 这个地址处。所以就需要设置 VBAR 为 0X87800000，设置命令如下：

ldr r0, =0X87800000 ; r0=0X87800000
MCR p15, 0, r0, c12, c0, 0 ;将 r0 里面的数据写入到 c12 中，即 c12=0X87800000

c15 寄存器
c15 寄存器也可以通过不同的配置得到不同的含义：

GIC 的基地址就保存在 CBAR中，我们可以通过如下命令获取到 GIC 基地址：

MRC p15, 4, r1, c15, c0, 0 ; 获取 GIC 基础地址，基地址保存在 r1 中

获取到 GIC 基地址以后就可以设置 GIC 相关寄存器了，GIC是中断控制块，在讲解到中断的时候，会用到此寄存器。

总结：
通过配置协处理器的 c1 寄存器可以使能或禁止 MMU、 I/D Cache 等；通过 c12 寄存器可以设置中断向量偏移；通过 c15 寄存器可以获取 GIC 基地址。