内存是程序的运行场所,内存和CPU之间通过总线连接,CPU通过一定的地址来访问具体内存单元。
IO(input and output)是输入输出接口,是CPU和其他外部设备(如串口、LCD、触摸屏、LED等)之间通信的道路。一般的,IO就是指CPU的各种内部或外部外设。
内存通过CPU的地址总线来寻址定位,然后通过CPU数据总线来读写。
CPU的地址总线的位数是CPU设计时确定的,因此一款CPU所能寻址的范围是一定的,而内存是需要占用CPU的寻址空间的。
内存与CPU的这种总线式连接方式是一种直接连接,优点是效率高访问快,缺点是资源有限,扩展性差。
IO指的是与CPU连接的各种外设。
CPU访问各种外设有两种方式:一种是类似与访问内存的方式,即把外设的寄存器当作一个内存地址来读写,从而以访问内存相同的方式来操作外设,叫IO与内存统一编址方式;另一种是使用专用的CPU指令来访问某种特定外设,叫IO与内存独立编址。
由于内存访问频率高,因此采用总线式连接,直接地址访问,效率最高。
IO与内存统一编址方式,优势是IO当作内存来访问,编程简单;缺点是IO也需要占用一定的CPU地址空间,而CPU的地址空间是有限资源。
IO与内存独立编址方式,优势是不占用CPU地址空间,缺点是CPU设计变复杂了。
程序运行时两大核心元素:程序+数据
程序是我们写好的源代码经过编译、汇编之后得到的机器码,这些机器码可以拿给CPU去解码执行,CPU不会也不应该去修改程序,所以程序是只读的。
数据是程序运行过程中定义和产生的变量的值,是可以读写的,程序运行实际就是为了改变数据的值。
程序和数据分开独立放在不同的内存块中,彼此完全分离的结构称为哈佛结构。例如大部分的单片机(MCS51、ARM9等)均采用哈佛结构。
程序和数据都放在内存中,且不彼此分离的结构称为冯诺依曼结构。例如Inter的CPU均采用冯诺依曼结构。
冯诺依曼结构中程序和数据不区分的放在一起,因此安全和稳定性是个问题,好处是处理起来简单。
哈佛结构中程序(一般放在ROM、flash中)和数据(一般放在RAM中)独立分开存放,因此好处是安全和稳定性高,缺点是软件处理复杂一些(需要统一规划链接地址等)。
寄存器是属于CPU外设的硬件组成部分。
CPU可以像访问内存一样访问寄存器。
寄存器是CPU的硬件设计者制定的,目的是留作外设被编程控制的“活动开关”。
正如汇编指令集是CPU的编程接口API一样,寄存器是外设硬件的软件编程接口API。使用软件编程控制某一硬件,其实就是编程读写该硬件的寄存器。
编程操作寄存器类似于访问内存。
寄存器中每个bit位都有特定含义,因此编程操作时需要位操作。
单个寄存器的位宽一般和CPU的位宽一样,以实现最佳访问效率。
SoC中有两类寄存器:通用寄存器和SFR
通用寄存器(ARM中有37个)是CPU的组成部分,CPU的很多活动都需要通用寄存器的支持和参与。
SFR(special function register,特殊功能寄存器)不在CPU中,而存在于CPU的外设中,我们通过访问外设的SFR来编程操控这个外设,这就是硬件编程控制的方法。
//访问通用寄存器要用汇编指令
ldr r1, =0xE0200280
str r0, [r1]
mov r0, #0
//访问特殊寄存器用C语言访问
int *p = (int *)0x30008000;
*p = 16;
常用ARM汇编指令只有二三十条。
ARM是低功耗CPU。
ARM的架构非常适合单片机、嵌入式,尤其是物联网领域;而服务器等高性能领域目前主导还是Inter。
大部分ARM(M3 M4 M7 M0 ARM9 ARM11 A8 A9)都是32位架构。
32位ARM CPU支持的内存少于4G,通过CPU地址总线来访问。
SoC中的各种内部外设通过各自的SFR编程访问,这些SFR的访问方式类似与访问普通内存,这叫IO与内存统一编址。
常见ARM(除ARM7外)都是哈佛结构的。
哈佛结构保证了ARM CPU运行的稳定性和安全性,因此ARM适用于嵌入式领域。
哈佛结构也决定了ARM裸机程序(使用实际地址即物理地址)的链接比较麻烦,必须使用复杂的链接脚本告知链接器如何组织程序;对于OS之上的应用(工作在虚拟地址之中)则不需要考虑这么多。