lv11 嵌入式开发 ARM体系结构理论基础2
目录
1 ARM概述
1.1 处理器分类
1.2 SOC概念
2 ARM指令集概述
2.1 ARM指令集
2.2 编译原理
3 ARM存储模型
3.1 ARM数据类型
3.2 字节序
3.3 ARM指令存储
4 ARM工作模式
4.1 ARM工作模式分类
1 ARM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
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
1.1 处理器分类
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(只保留简单电路)
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
1.2 SOC概念
soc arm基础上增加很多外围电路，如wifi、usb、ram、rom
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
2 ARM指令集概述
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 （1条C语言对应n条指令3*3 3+3+3）
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
2.1 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
Thumb指令16位，有很多限制，光Thumb无法满足，所以用得比较少。
2.2 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.二进制机器码查错很困难，不可读
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
3 ARM存储模型
3.1 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，如不按要求存储会出问题
3.2 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
一个错误理解：
大端对齐即数组a[0]存低地址，小端对齐即数组a[0]存高地址
正确理解：
实际数组a[0]不管大端还是小端模式，都是存在低地址，单字节不存在大端小端，永远存在低地址。只有4字节int，需要注意低地址是存放高位还是地位。
ubuntu是小端，可以写一个小程序测试
uint32_t val32 = 0x11223344;
uint8_t val8 = *( (uint8_t *)&val32 );
if(val8 == 0x44)
printf("本机是小端字节序\n");
else
printf("本机是大端字节序\n");3.3 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
地址必须是4的整数倍
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：即指令本身时多少位在内存存储时就应该多少位对齐。
原因：
例：地址必须是4个整数倍时
100U 4
1000U 8
1100U 12
最后两位永远是0，PC值也必须是4的整数倍，最低两位一定是0
但是PC值可以改，如果改为7 111，[1:0]会强制转换为0 变为100
4 ARM工作模式
ARM有8个基本的工作模式
- 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
- 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
- SVC 当复位或执行软中断指令后ARM将进入这种模式 （软中断）
- Abort 当产生存取异常时ARM将进入这种模式
- Undef 当执行未定义的指令时ARM将进入这种模式
- 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
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
4.1 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
注意理解：
操作系统有自己的模式
用户态：如应用程序一般都在用户态运行
内核态：如kernal，调用线程等
ARM也有自己的工作模式区分开
User为非特权模式（权限较低），其余模式均为特权模式
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