【嵌入式开发——ARM】1ARM架构

嵌入式领域,使用ARM架构的芯片公司可不占少数吧,intel的x86架构主要占据PC、服务器市场,ARM架构主要占据移动市场。x86架构和ARM架构不同的主要原因,是背后使用的计算机指令集不同。计算机有自己的语言系统(汇编,进一步地mov等指令也得翻译成相应二进制码),众多指令的集合称为指令集架构(Instruction Set Architecture, ISA),计算机发展历史终,指令集形成两种风格,即:复杂指令集计算机(CISC,Complex Instruction Set Computer),精简指令集计算机(RISC,Reduced Instruction Set Computer),ARM架构就是使用RSIC(这里插一句,使用不同指令集,CPU就设计成不同架构吗,还真是,一定程度上可以说软件/指令集决定硬件架构,RSIC能流行起来一个原因就是因为按照RSIC指令集能降低硬件设计成本)
RSCI与CSIS

1 架构

1.1 架构种类

有些人将“指令集体系结构”称为架构,于是有ARMv8架构,ARMv7-A架构等等,这些都是ARM设计的一些RISC指令集。
所谓指令集体系结构,就是ARM公司推出的一整套精简指令,它是计算机最底层的命令,如APP从内存读取数据,最终就是通过调用ARM设计的指令实现内存存取。

为了清楚表达ARM应用实例所使用的指令集,ARM公司定义了几种重要的ARM指令集架构版本,以版本号v1-v8表示。
ARM采用IP授权的商业模式,收取一次性技术授权费用和版税提成,有三种授权模式:使用层级授权模式,内核层级授权模式,架构层级使用模式。

ARMv7架构开始,命名方式有所改变,分为三个系列:Cortex-A,Cortex-R,Cortex-M;
Cortex-A:针对高性能计算。如现在手机常出现Cortex-A76等;
Cortex-R:针对实时操作处理,主要是面向嵌入式实时处理器。在汽车电子制动系统,工控等领域常见;
Cortex-M:专为低功耗,低成本系统设计。目前火热的IoT领域常用该系列。
ARM架构家族

1.2 ARM微处理器特点

1、ARM指令都是32位定长的;
2、寄存器数量丰富(37个);
3、普通的Load/Store指令;
4、多寄存器的Load/Store指令;
5、指令的条件执行;
6、单个时钟周期中的单条指令完成数据移位操作和ALU操作;
7、通过变种和协处理器来扩展ARM处理器功能;
8、扩展了16位的Thumb指令来提高代码密度;

1.3 ARM状态和Thumb状态

1.3.1 状态简介

ARM状态:ARM处理器工作于32位指令的状态,所有指令都是32位。
Thumb状态:ARM处理器执行16位指令的状态。
Thumb-2状态:这是ARM7版本处理器所具有的的状态,thumb-2内核技术兼有16位及32位指令,实现了更高的性能,更有效的功耗及更少地占用内存。

1.3.2 ARM状态和Thumb状态的切换

(1)由ARM状态切换到Thumb状态
寄存器最低位置为1
BX指令:R0[0]=1,则执行BX R0指令将进入Thumb状态
(2)由Thumb状态切换到ARM状态
寄存器最低位设置为0
BX指令:R0[0]=0,则执行BX R0将进入ARM状态

当处理器进行异常处理时,则从异常向量地址开始执行,自动进入ARM状态。
注意:
ARM处理器复位后开始执行时总是处于ARM状态;
Cortex-M3只有Thumb-2状态和调试状态;
由于Thumb-2具有16/32位指令功能,因此有Thumb-2就无需Thumb了;此外,具有Thumb-2技术的ARM处理器也无需在ARM状态和thumb状态之间切换了,因为thumb-2具有32位和16位指令功能。

1.3.3 为什么需要Thumb状态模式?

ARM体系结构除了支持执行效率很高的32位ARM指令集外,为了兼容总线宽度为16位的应用系统,所以也支持16位的Thumb指令集。Thumb指令集是ARM指令系统的一个子集,允许指令编码长度为16位。Thumb指令集大大节省了存储空间。

2 编程模型

2.1 ARM数据类型

在ARM体系结构中,字(Word)的长度为32位,半字(Half-Word)长度为16位,字节(字节)长度为8位。

2.2 ARM处理器的工作状态

1、ARM状态,处理器执行32位的字对齐ARM指令,绝大部分工作在此状态;
2、Thumb状态,处理器执行16位的半字对齐Thumb指令。

2.3 ARM处理器工作模式

1、用户模式(usr,User Mode):ARM处理器正常执行程序;
2、快速中断模式(fiq,Fast Interrupt Request Mode):用于高速数据传输或通道处理,当触发快速中断时进入此模式;
3、外部中断模式(irq,Interrupt Request Mode):用于通常中断处理,当触发外部中断时进入此模式;
4、管理模式(svc,Supervisor Mode):操作系统使用的保护模式,在系统复位或执行软中断时进入此模式;
5、数据访问中止模式(abt,Abort Mode):数据或指令预取中止时进入此模式,可用于虚拟存储及存储保护;
6、系统模式(sys,System Mode):运行具有特权的操作系统任务;
7、未定义指令中止模式(und,Undefined Mode):未定义的指令执行时进入该模式,可用于支持硬件协处理器的软件仿真;
除用户模式外,其余六种都是特权模式。除用户模式和系统模式外,其余五种都是异常模式。在特权模式下可以访问所有系统资源。

2.4 ARM处理器寄存器组织

ARM处理器有37个32位寄存器,其中31个是通用寄存器,6个状态寄存器。
ARM处理器寄存器
在所有寄存器中,有些是各模式共用同一个物理寄存器,有些是各模式自己独立拥有的物理寄存器。

r0-r3主要用于子程序间传递参数;
r4-r11用于保存局部变量,但在Thumb状态下,通常只能使用r4-r7保存局部变量;
r12是子程序间的scratch寄存器,即ip寄存器;
r13通常用于栈指针,即sp;
r14是连接寄存器(lr),用于保存子程序和中断返回地址;
r15即程序计数器(pc),ARM采用流水线机制,该寄存器存储下一条指令地址。

不分组寄存器(r0-r7)
在所有运行模式下,都是同一个物理寄存器,系统未把它们用做特殊用途。

分组寄存器(r8-r14)
FIQ模式下,使用r8_fiq-r12fiq,其他模式下还是使用r8-r12;
对于r13,r14,每个寄存器对应6个不同的物理寄存器,系统模式和用户模式使用r13,r14,其他模式都有自己独立的物理寄存器;

SPSR
(Saved program status register备份的程序状态寄存器),除usr,sys外,用于保存CPSR的备份,异常时,保存CPSR值,异常退出时,将该值恢复到CPSR。五种异常模式都有各自的物理寄存器。
CPSR
(Current program status register当前程序状态寄存器),可以在任何模式下被访问,包括条件标志位,中断禁止位。
N:两整数运算时,1表示结果为负数,0表示结果为0或正数;
Z:1表示结果为0。对于CMP指令,1表示两数相等。
C,V代表溢出。
I:1表示禁止外部硬件中断(irq);
F:1表示禁止快速中断(fiq);
T:1表示Thumb状态,0表示ARM状态,默认都是ARM状态
M[4:0],用来设置处理器的工作模式。
CPSR寄存器bit位
CPSR寄存器每位含义

3 其他知识

ARM授权模式
当年知道ARM这么收钱的时候,有点纳闷又有点无语,包括现在,也对版权这个东西感到不可思议,还能这样收费。它不用造个成品出来,就是一套知识点,而且最麻烦的是能一直收费,不是像买个东西比如手机,一次交完就行了。即便是买手机,我下次买,那你厂商也得再造个新手机出来,和之前的手机是俩东西了,而这套知识点第一次买长这样,下次买还长这样,,,但就是能一直收费。顺便在吐槽一句,也不知道啥时候我们国家比如听歌啥的,也开始版权收费了,一次又一次的交,不要说这是贴近西方,西方也不是文明的代名词,也不是绝对权威,我一直感觉这基本就是西方搞得一种无赖收费方式;你但凡是那种花了一次钱买了就行了也不会说啥,毕竟给予知识创造者回馈是正常的,但这种一劳永逸的在我感觉就是很奇葩;而且这样能收费的话,我真替中西方古往今来各个领域研究出东西的先贤感到不值,毕竟我们现在生活用的的所有,包括衣食住行,琴棋书画,数理医艺等,肯定都是在先贤研究的基础上发展得到的,他们的版权费呢?找谁要?要不要给他们后代?我是理工科的,有点对资本这方面嗤之以鼻(尤其是前几年看到新闻ARM公司被其股东卖来卖去时候感到痛心,一个叱咤风云的技术公司被所谓股东说卖就卖,无语到令人想笑),很多东西和钱/利益挂钩后,就很难纯粹了,真切感觉每个人,或者说整个人类在近现代被金钱控制的有点离谱了,所有的道义等品质都被金钱破坏了,感觉都在像金钱看齐,这样下去的话,即便人类科技在进步,也会是生活在冰冷麻木的社会中。不好意思,有点愤青了,扯得有点远,大家就当看个热闹。
RSIC与CSIS对比
Cortex系列

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