刘岳霖
刘岳霖

计算机硬件基础&ARM处理器概论（ARM体系结构与接口技术）

计算机硬件基础 D1

底层课程导学

1.编程基础 2.应用开发 （函数） 3.底层开发
C语言基础 IO ARM
C高级与linux 进程 系统移植
数据结构 网络编程 驱动开发

嵌入式系统分层

  • 操作系统的作用
    向下管理硬件、向上提供接口（API) 计算机硬件基础&ARM处理器概论（ARM体系结构与接口技术）_第1张图片
  • 应用开发
    即使用系统提供的接口(API)，做上层应用程序的开发
  • 底层开发
    即做操作系统本身的开发

Linux层次结构

Linux子系统
  • 进程管理（Process management）：管理进程的创建、调度、销毁等
  • 内存管理(Memory management)：管理内存的申请、释放、映射等
  • 文件系统(Filesystem support)：管理和访问磁盘中的文件
  • 设备管理(Device control)：硬件设备及驱动的管理
  • 网络协议(Networking)：通过网络协议栈(TCP、IP…)进行通信
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ARM体系结构与接口技术课程导学

课程内容

ARM体系结构 接口技术
存储模型 GPIO
工作模式 PWM
寄存器 UART
异常机制 ADC
流水线 RTC
指令集 IIC

学习方法

计算机硬件基础&ARM处理器概论（ARM体系结构与接口技术）_第3张图片

计算机基础知识

计算机的进制

逻辑1和0
在计算机中数据的存储、运算、传输都是以高低电平的方式
所以数字电路中用高、低电平来表示逻辑1和0
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计算机的组成

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  • 输入设备
    把其他信号转换成计算机能识别和处理的信号并送入计算机中
    如键盘、鼠标、摄像头等
  • 输出设备
    把运算结果以人或其他设备所能接受的形式送出计算机外
    如显示器、音响、打印机等
  • 存储器
    存储器是用来存储程序和数据的部件,是实现"存储程序控制"的基础
    如内存、硬盘等
  • 运算器
    CPU中负责进行算数运算和逻辑运算的部件，其核心是算术逻辑单元ALU
  • 控制器
    控制器是CPU的指挥中心,其控制着整个CPU执行程序的逻辑过程

总线

  • 总线
    总线是计算机中各个部件之间传送信息的公共通信干线, 在物理上就是一束导线按照其传递信息的类型可以分为数据总线、地址总线、控制总线
  • DMA总线
    DMA(Direct Memory Access)即直接存储器访问，使用DMA总线可以不通过CPU直接在存储器之间进行数据传递
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多级存储结构与地址空间

三级存储结构

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  • Cache
    速度最快、价格最贵、容量最小、断电数据丢失、cpu可直接访问
    存储当前正在执行的程序中的活跃部分,以便快速地向CPU提供指令和数据
  • 主存储器
    速度、价格、容量介于Cache与辅存之间、断电数据丢失、cpu可直接访问
    存储当前正在执行的程序和数据
  • 辅助存储器
    速度最慢、价格最低、容量最大、断电数据不丢失、cpu不可直接访问
    存储暂时不运行的程序和数据，需要时再传送到主存

地址空间

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  • 地址空间
    一个处理器能够访问（读写）的存储空间是有限的,我们称这个空间为它的地址空间（寻址空间）,一般来说N位地址总线的处理器的地址空间是2的N次方

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CPU工作原理概述

CPU工作原理

每执行一条指令后PC的值会自动增加指向下一条指令
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指令的执行过程

  • 一条指令的执行分为三个阶段
    * 取址：
    CPU将PC寄存器中的地址发送给内存，内存将其地址中对应的指令返回
    到CPU中的指令寄存器（IR）
    * 译码：
    译码器对IR中的指令进行识别，将指令（机器码）解析成具体的运算
    * 执行：
    控制器控制运算器中对应的运算单元进行运算，运算结果写入寄存器
  • 每执行一条指令后PC的值会自动增加指向下一条指令

ARM处理器概论 D2

ARM处理器概述

ARM公司概述

  • ARM的含义
    ARM（Advanced RISC Machines）有三种含义
    一个公司的名称、一类处理器的通称、一种技术
  • ARM公司
    成立于1990年11月，前身为Acorn计算机公司
    主要设计ARM系列RISC处理器内核
    授权ARM内核给生产和销售半导体的合作伙伴，ARM公司并不生产芯片
    提供基于ARM架构的开发设计技术软件工具、评估板、调试工具、应用软件
    总线架构、外围设备单元等

ARM产品系列

  • 早先经典处理器
    包括ARM7、ARM9、ARM11家族
  • Cortex-A系列
    针对开放式操作系统的高性能处理器
    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、满足实时性的控制需求
    应于汽车制动系统、动力系统等
  • Cortex-M系列
    为单片机驱动的系统提供了低成本优化方案
    应用于传统的微控制器市场、智能传感器、汽车周边等
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RISC处理器

  • RISC处理器
    只保留常用的的简单指令，硬件结构简单，复杂操作一般通过简单指令的组合实现，一般指令长度固定，且多为单周期指令
    RISC处理器在功耗、体积、价格等方面有很大优势，所以在嵌入式移动终端领域应用极为广泛
  • CISC处理器
    不仅包含了常用指令，还包含了很多不常用的特殊指令，硬件结构复杂，指令条数较多，一般指令长度和周期都不固定
    CISC处理器在性能上有很大优势，多用于PC及服务器等领域

SOC

SOC(System on Chip)
即片上系统，将一个系统中所需要的全部部件集成在一个芯片中在体积、功耗、价格上有很大优势
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ARM指令集概述

指令集

  • 指令
    能够指示处理器执行某种运算的命令称为指令（如加、减、乘 …）
    指令在内存中以机器码（二进制）的方式存在
    每一条指令都对应一条汇编
    程序是指令的有序集合
  • 指令集
    处理器能识别的指令的集合称为指令集
    不同架构的处理器指令集不同
    指令集是处理器对开发者提供的接口
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ARM指令集

大多数ARM处理器都支持两种指令集：

  • ARM指令集
    所有指令（机器码）都占用32bit存储空间
    代码灵活度高、简化了解码复杂度
    执行ARM指令集时PC值每次自增4
  • Thumb指令集
    所有指令（机器码）都占用16bit存储空间
    代码密度高、节省存储空间
    执行Thumb指令集时PC值每次自增2
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编译原理

机器码（二进制）是处理器能直接识别的语言，不同的机器码代表不同的运算指令，处理器能够识别哪些机器码是由处理器的硬件设计所决定的，不同的处理器机器码不同，所以机器码不可移植

汇编语言是机器码的符号化，即汇编就是用一个符号来代替一条机器码，所以不同的处理器汇编也不一样，即汇编语言也不可移植

C语言在编译时我们可以使用不同的编译器将C源码编译成不同架构处理器的汇编，所以C语言可以移植

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ARM存储模型

ARM数据类型

  • ARM采用32位架构，基本数据类型有以下三种
Byte 8bits
Halfword 16bits
Word 32bits
  • 数据存储
    • Word型数据在内存的起始地址必须是4的整数倍
    • Halfword型数据在内存的起始地址必须是2的整数倍

注：即数据本身是多少位在内存存储时就应该多少位对齐
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字节序

大端对齐
低地址存放高位，高地址存放低位
a = 0x12345678

小端对齐
低地址存放低位，高地址存放高位
a = 0x12345678

注：ARM一般使用小端对齐
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ARM指令存储

处理器处于ARM状态时
所有指令在内存的起始地址必须是4的整数倍
PC值由其[31:2]决定，[1:0]位未定义

处理器处于Thumb状态时
所有指令在内存的起始地址必须是2的整数倍
PC值由其[31:1]决定，[0]位未定义

注：即指令本身是多少位在内存存储时就应该多少位对齐
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ARM工作模式

ARM工作模式

**ARM有8个基本的工作模式

  • User 用户模式、非特权模式，一般在执行上层的应用程序时ARM处于该模式
  • FIQ 快速中断模式 当一个高优先级中断产生后ARM将进入这种模式
  • IRQ 普通中断模式 当一个低优先级中断产生后ARM将进入这种模式
  • SVC 超级用户模式 当复位或执行软中断指令后ARM将进入这种模式
  • Abort 终止模式 当产生存取异常时ARM将进入这种模式
  • Undef 指令未定义模式 当执行未定义的指令时ARM将进入这种模式
  • System 系统模式 使用和User模式相同寄存器集的特权模式
  • Monitor 监控模式 为了安全而扩展出的用于执行安全监控代码的模式**

工作模式的理解

  • 不同模式拥有不同权限
  • 不同模式执行不同代码
  • 不同模式完成不同的功能

ARM工作模式分类

按照权限
User为非特权模式（权限较低），其余模式均为特权模式（权限较高）

按照状态
FIQ、IRQ、SVC、Abort、Undef属于异常模式，即当处理器遇到异常后
会进入对应的模式

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按字母分类： ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ其他