EBU5476 Microprocessor System Design 知识点总结_2 Arm architecture

ARM架构

ARM是一个指令集，前面讲的几个汇编指令这些都算做指令。

ARM公司有意思的地方是，他们不做ARM设备，他们只设计指令集架构，然后授权（知识产权核，IP核）给其他半导体厂商做。

A：application，主打高性能，手机电脑有许多就是ARM架构的。

R：realtime，主打实时，比如车联网对实时性要求很高。

M：microcontroller，应用于小型嵌入式系统，我们使用的板子。

m系列有m0到m7（简单说就是性能逐渐增加？），而且向下兼容即m7兼容m0~m6.

SoC

我们的板子上有一个黑色的小芯片，上面写着stm32blabla一串字符。这个就是整个板子的核心，相当于囊括了上文提到的计算机架构的芯片结构，system on chips。

设计soc规则：首先选用IP核，设计ARM处理器，外加一系列存储、IO外设结构，全部集成在黑芯片上。

ARM处理器 processor 是 architecture 的具体涵盖，多了很多新内容比如定时器。

我们主要学习m4架构。

只看非optional大概了解即可，处理器核访问代码，数据接口。

register

前面我们已经简单介绍了register。事实上如果想对内存中数据做处理，也要先拿到处理器核中的寄存器里做运算，然后返回回去。

arm register 如下：

通用寄存器：临时变量，可以存储计算数据之类的。

SP：栈顶指针寄存器，指向栈顶。

LR：函数返回用，保存返回地址。比如要调用函数了，把PC的值存入LR，然后PC跳转到函数起始位置；函数返回的时候LR的值还给PC。

PC：指向程序当前执行到的位置（下一个要执行的指令的地址）程序计数器。每条指令取了之后PC自动加一条指令，比如32位指令集PC+=4B。

PSR系列是状态寄存器，指明当前程序状态。比如当前是用户模式还是内核模式？IPSR指明当前是否允许中断？等。

xPSR包括：

• APSR：计算用，如标志是否进位，结果是否为0，是否为负，是否溢出等。
• IPSR：中断处理相关。
• EPSR：执行相关，指明指令集，中断是否继续等信息。

Memory Map

m4有4g的内存空间默认映射到一片空间中，用户也可以根据自己喜好修改。有存储代码的code region，存储数据的sram region，存储外设的peripheral region，external ram region，external device region，Internal Private Peripheral Bus (PPB)。

Bit-band Operations

位带操作。

如果我们要读写32位数据中的某一位，比如第三位（从左往右是31:0，第三位是右边第4个），有的寄存器允许我们直接获取r[3]，但是大多数是不允许直接获取的。

如何处理？如果写入1，那么r|0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1000.

如果写入0，那么 r & 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 0111.

读取：看 r & 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1000 结果是否为0.

这样很麻烦，比如我们要给0x2000 0000处的数据第3位写1，详细汇编代码：

LDR是把后面的数据加载到前面的寄存器中，[R1]是把R1的值当做一个地址，取得其中存储的数据。

这样挺麻烦的，但是因为有内存映射我们可以直接写入和获取“位带别名地址”中的数据。

0x2000 0000处的第0位到第31位分别是：

0x2200 0000

0x2200 0004

0x2200 0008

0x2200 000c……

0x2200 007c

所以直接获取，修改0x2200 000c的数据即可。

0x2000 0000映射到0x2200 0000是 sram 区域映射，0x4000 0000映射到0x4200 0000是外设 peripheral 区域映射。

操作更快，指令更少，而且只访问一位更安全，比如刚取出0x2000 0000的32位数据，这时候中断修改了0x2000 0000的数据，这时我们取得的数据就是旧的错误数据了，修改完第3位再写回去，相当于中断白改了。

Program Image

vector：向量表，存储比如main堆栈的地址（MSP），异常的地址等信息。

start-up：板子上电或rst时的启动代码。

program code：我们烧进去的程序代码。

c lib code：库函数代码。

复位时，先读取 msp 地址找到 main 在哪。然后读取 reset vector 执行 BIOS 初始化代码，再开始读取第一条，第二条指令……

Endianness

两种存储规范。

比如十进制数字，1234，一千二百三十四。然后我们记录到数据库中，地址从低到高存储为4321，权值大的位1存在地址最高处，这就是大端存储 Big endian。否则，权值大的位存在地址低处，1234地址从低到高，就是小端存储 Little endian。m4两种方法都支持。

术语“little endian(小端)”和“big endian(大端)”出自Jonathan Swift的《格列佛游记》（Gulliver’s Trabels）一书，其中交战的两个派别无法就应该从哪一端（小端还是大端）打开一个半熟的鸡蛋达成一致。

一下是Jonathan Swift在1726年关于大小端之争历史的描述：

“…下面要告诉你的是，Lilliput和Blefuscu这两大强国在过去36个月里一直在苦战。战争开始是由于以下的原因：我们大家都认为，吃鸡蛋前，原始的方法是打破鸡蛋较大的一端，可是当今皇帝的祖父小时候吃鸡蛋，一次按古法打鸡蛋是碰巧将一个手指弄破了，因此他的父亲，当时的皇帝，就下了一道敕令，命令全体臣民吃鸡蛋时打破鸡蛋较小的一端，违令者重罚。老百姓们对这项命令极为反感。历史告诉我们，由此曾发生过六次叛乱，其中一个皇帝送了命，另一个丢了王位。这些叛乱大多都是由Blefuscu的国王大臣们煽动起来的。叛乱平息后，流亡的人总是逃到那个帝国去寻救避难。据估计，先后几次有11000人情愿受死也不肯去打破鸡蛋较小的一端。关于这一争端，曾出版过几百本大部著作，不过大端派的书一直是受禁的，法律也规定该派的任何人不得做官。”（此段译文摘自网上蒋剑锋译的 《格列佛游记》第一卷第4章。）

在他那个时代，Swift是在讽刺英国（Lilliput）和法国（Blefuscu）之间的持续的冲突。Danny Cohen，一位网络协议的早期开创者，第一次使用这两个术语来指代字节顺序，后来这个术语被广泛接纳了.

大端、小端基础知识 - 知乎 (zhihu.com)

Instruction Set

指令集。早期arm指令集32位，性能好能实现的功能强大。但是太长了处理效率低。

thumb-1 指令集16位，处理效率高了，性能也降了。早期arm架构如果是支持两种指令集的，就要频繁切换模式，效率低。

后来thumb-2指令集包含早期16位和新的32位，和arm指令集的混合指令集性能没减太多，代码量和处理效率还高了。