ARM体系结构概述

ARM公司简介

ARM（Advanced RISC Machines）有三种含义：它是一个公司的名称、它是一类微处理器的通称、它是一种技术的名称。

ARM 公司是微处理器行业的一家知名企业，它是知识产权供应商，设计基于ARM体系的处理器；公司并不生产芯片，也不出售芯片，它转让设计方案给半导体厂商，由半导体厂商生产soc，并销售，同时提供一些其他设计服务，比如物理IP，图形内核和开发工具的设计。

ARM处理器家族

早先经典处理器

包括ARM7、ARM9、ARM11家族。

 Cortex-M 系列

为单片机驱动的系统提供的低成本优化方案；
应用于传统的微控制器市场，智能传感器，汽车周边部件等。

Cortex-A 系列

针对开放式操作系统的高性能处理器，进行海量数据处理和高性能计算；
应用于智能手机，数字电视，智能本等高端运用。

 Cortex-R 系列

针对实时系统、满足实时性要求高的控制需求；
应于汽车制动系统，动力系统等。

ARM处理器架构

概念

体系结构定义指令集和基于这一体系结构下处理器的编程模型（基本数据类型、工作模型、寄存器组）。基于同种体系结构可以有多种处理器、每个处理器的性能不同，面向的应用领域也不同。

ARM体系结构发展

目前ARM体系架构共定义了8个版本V1-V8
V1-V3 最早的版本，目前已废弃
V4-V6 经典处理器中运用的比较多
V7  目前Cortex系列处理器主要是这种架构、支持Thumb-2的32位指令集
V8 兼容ARMv7架构的特性，并支持64位数据处理

ARM指令集

指令集的概念

处理器能够识别并执行的指令集合；
每一条指令可处理一个简单或复杂操作（加、加乘…）；
每一条指令对应一条或几条汇编指令。

指令集常见分类

复杂指令集（CISC）：包含处理复杂操作的特定指令，指令长度不固定，执行需要多个周期。
精简指令集（RISC）：指令简单而有效，格式和长度通常是固定的，大多数指令在一个周期内可以执行完毕。ARM的内核是基于RISC体系结构的。

Cortex-M0处理器

Cortex-M 系列产品主要包括 Cortex-M0、Cortex-M1、Cortex-M3、Cortex-M4、Cortex-M7 等，其中 Cortex-M0 主打低功耗和混合信号的处理，M3 主要用来替代 ARM7,重点侧重能耗与性能的平衡，而 M7 则重点放在高性能控制运算领域。

结构框图

Cortex-M0 微处理器主要包括处理器内核、嵌套向量中断控制器（NVIC）、调试子系统、内部总线系统构成。Cortex-M0 微处理器通过精简的高性能总线（AHB-LITE）与外部进行通信。

特性

使用Thumb指令集，高效、高代码密度；
高性能，使用ARMv6-M的体系架构；
中断数量可配置（1~32 个），4 级中断优先级，低中断切换时延，提供不可屏蔽中断（NMI）输入保障高可靠性系统；
门电路少，低功耗，处理器可在休眠状态下掉电以降低功耗，还可被 WIC 唤醒；
与 Cortex-M1 处理器兼容，向上兼容 Cortex-M3 和 Cortex-M4 处理器，可以很容易地升级到 Cortex-M3。Cortex-M3 和 Cortex-M4 移植到 Cortex-M0 也非常简单；
支持多种嵌入式操作系统，也被多种开发组件支持，包括 MDK（ARM Keil 微控制器开发套件）、RVDS（ARM RealView 开发组件）、IAR C 编译器等。

工作模式

Cortex-M0有两种工作模式和两种工作状态；

线程模式（Thread Mode）：芯片复位后，即进入线程模式，执行用户程序；

处理模式（Handler Mode）：当处理器发生了异常或者中断，则进入处理模式进行处理、处理完成后返回线程模式。

Thumb状态：正常运行时处理器的状态； 

调试状态：调试程序时处理器的状态；

寄存器组

通用寄存器

Cortex-M0 处理器内核有 13 个通用寄存器以及多个特殊寄存器。
R0-R12：通用寄存器，其中 R0-R7 为低端寄存器，可作为 16 位或 32 位指令操作数，R8-R12 为高端寄存器，只能用作 32 位操作数。
R13：堆栈指针 SP，Cortex-M0 在不同物理位置上存在两个栈指针，主栈指针 MSP，进程栈指针 PSP。在处理模式下，只能使用主堆栈，在线程模式下，可以使用主堆栈也可以使用进程堆栈，这主要是由 CONTROL 寄存器控制完成。系统上电的默认栈指针是MSP。
R14：连接寄存器(LR)，用于存储子程序或者函数调用的返回地址。
R15：程序计数器（PC），存储下一条将要执行的指令的地址。

特殊寄存器

xPSR：组合程序状态寄存器，该寄存器由三个程序状态寄存器组成
应用PSR（APSR）：包含前一条指令执行后的条件标志
中断PSR（IPSR）：包含当前ISR的异常编号
执行PSR（EPSR）：包含Thumb状态位
PRIMSK：中断屏蔽特殊寄存器。
CONTROL：控制寄存器，控制处理器处于线程模式时：
    CONTROL[1] = 0，使用MSP
    CONTROL[1] = 1，使用PSP
    处理器模式时，固定使用MSP

异常和中断

Cortex-M0 处理器最多支持 32 个外部中断（通常称为 IRQ）和一个不可屏蔽中断（NMI），另外 Cortex-M0 还支持许多系统异常（Reset、HardFault、SVCall、PendSV、SysTick），它们主要用于操作系统和错误处理。

指令集

ARM 处理器支持两种指令集：ARM 和 Thumb。
EPSR 寄存器的 T 标志位负责指令集的切换，Cortex-M0只支持Thumb指令。

ARM指令集

32位精简指令集；
指令长度固定；
降低编码数量产生的耗费，减轻解码和流水线的负担；

Thumb指令集

Thumb指令集是ARM指令集的一个子集；
指令宽度16位；
与32位指令集相比，大大节省了系统的存储空间；
Thumb指令集不完整，所以必须配合ARM指令集一同使用。

注：Thumb 与 ARM 相比，代码体积小了 30%，但性能也低了 20%。2003 年，ARM 公司引入了 Thumb-2 技术，具备了一些 32 位的 Thumb 指令，使得原来很多只有 ARM 指令能够完成的功能，用 Thumb 指令也可以完成了。Cortex-M0 基于的 ARMv6-M 体系结构，该体系结构的处理器只是用了16位Thumb指令和部分32位Thumb指令。
 

STM32平台

STM32，从字面上来理解，ST 是意法半导体，M 是 Microelectronics 的缩写，32 表示32 位，合起来理解，STM32 就是指 ST 公司开发的 32 位微控制器。在如今的 32 位控制器当中，STM32 可以说是最璀璨的新星，它大受工程师和市场的青睐，无芯能出其右。

STM32产品分类：

STM32产品命名规则：

STM32F0系统架构：

系统主要由以下几个模块组成 :
二个主模块 :
   – Cortex-M0 内核及先进高性能总线 (AHB bus)
   – 通用 DMA ( GP-DMA -- general-purpose DMA)
四个从模块 :
   – 内部 FLASH
   – 内部SRAM
   – 专门用于连接 GPIO 口的 AHB2
   – AHB 到 APB 的桥 , 所有的外设都挂在 APB 总线上

注：本文仅由作者用于总结和记录学习ARM系列软件和Linux驱动开发的过程，未经允许请勿擅自转载，如有侵权请联系作者删除。