D2. ARM处理器概论-ARM体系结构与接口技术-嵌入式学习LV9

D2.ARM处理器概论

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如果出现图片无法查看可能是网络问题，我用的GitHub+图床保存的图片，可以参考我另外一篇文章GitHub的使用方法含网络问题解决
GitHub使用教程含网络问题_github加速器_肉丸子QAQ的博客-CSDN博客

ARM处理器概述

• 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

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ARM产品系列

早期经典处理器

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（精简指令集）

  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

比如：运行一个3x3的乘法，由于不常用乘法，去除了乘法的电路，那么RISC处理器在编译的时候就会将3x3转化为3+3+3

• CISC处理器（复杂指令集）

  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(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

比如：C语言的加减乘除不叫指令，指令一定是指处理器能够认识，执行的命令，和前文所说的3x3例子是一个道理，某一个处理器硬件无法进行乘法，那么x就不是一个指令，转换的+就是一个指令

• 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(空间换时间)

  • 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（指令计数器）值每次自增4

  理解PC值参考上个DAY笔记的CPU工作原理图片一条的地址为0x08，下一条的地址为0x0c

• Thumb指令集（用的少）

  • 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（指令计数器）每次自增2

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编译原理

机器码不可移植---->>汇编语言不可移植(解决了机器码的繁琐，机器码和汇编语言一一对应)---->>高级语言C语言（可移植依赖编译器）

• 通过不同的编译器就能实现同一份代码在不同的架构下使用（gcc，arm-gcc）

编译过程：

1. 预处理:对注释进行处理，宏进行展开等，生成.i的文件
2. 编译：将预处理后的文件转换成汇编语言，生成.s文件
3. 汇编：汇编变为目标代码(机器代码)，生成.o的文件
4. 链接：连接目标代码，生成可执行程序

• 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储存模型

ARM数据类型

• ARM采用32位架构，基本数据类型有以下三种（ARM能直接处理）

  • Byte 8bits------char

  • Halfword 16bits------short

  • Word 32bits------int

• 32位：如果给他32位数据运算，就能直接一次运算，大于32位的话分多次算
• 其他如flout其他的数据类型，需要其他方法进行运算，间接的处理

• 数据存储

  • Word型数据在内存的起始地址必须是4的整数倍（0，4，8…）

  • 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

如果一个数据有多个字节才要考虑字节序

• 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（32bit）所以指令计数器（PC）的值也会是4的整数倍

  PC值由其[31:2]决定，[1:0]位未定义

规律：二进制最后两位都为0

如果写入7–>111–>100强制转换

• 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（16bit）

  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有8个基本的工作模式（不同版本arm模式可能不一样，7种）

  • User 非特权模式，一般在执行上层的应用程序时ARM处于该模式

    用户态和内核态是指的是Linux系统的状态和ARM没有关系，这里的User指的是ARM的处理器模式

  • FIQ 当一个高优先级中断产生后ARM将进入这种模式

  • IRQ 当一个低优先级中断产生后ARM将进入这种模式

    中断：“正在吃饭，有人叫我离开，然后回来继续吃饭”这个状态就是中断

  • SVC 当复位或执行软中断指令后ARM将进入这种模式

    开机过程那段状态，启动完后切换到user模式

    软中断：通过代码产生的中断

  • Abort 当产生存取异常时ARM将进入这种模式

    在内存中存读出现问题，如野指针。。会进入这个状态

  • Undef 当执行未定义的指令时ARM将进入这种模式

    不认识的指令

  • System 使用和User模式相同寄存器集的特权模式

  • Monitor 为了安全而扩展出的用于执行安全监控代码的模式

如何理解

• 不同模式拥有不同权限：user权限最低，起保护作用

• 不同模式执行不同代码：比如：当复位的时候，就执行初始化代码

• 不同模式完成不同的功能

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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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作业

1.简述CISC处理器与RISC处理器的本质区别是什么

RISC:只保留常用的的简单指令，硬件结构简单,单周期指令;CISC: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

2.简述什么叫做指令集

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

3.简述ARM处理器有哪几种工作模式以及什么时候进入哪种模式

ARM有8个基本的工作模式

1. User 非特权模式，一般在执行上层的应用程序时ARM处于该模式

2. FIQ 当一个高优先级中断产生后ARM将进入这种模式

3. IRQ 当一个低优先级中断产生后ARM将进入这种模式

4. SVC 当复位或执行软中断指令后ARM将进入这种模式

5. Abort 当产生存取异常时ARM将进入这种模式

6. Undef 当执行未定义的指令时ARM将进入这种模式

7. System 使用和User模式相同寄存器集的特权模式

8. Monitor 为了安全而扩展出的用于执行安全监控代码的模式