ARM内容总结学习

ARM基础

1. 几种常见的嵌入式处理器

PowerPC处理器	飞思卡尔MCP系列[军工,通信]
DSP处理器	TI(德州仪器, 达芬奇系列(DSP核+ARM核,视频处理),OMAP系列(ARM核,手机))
FPGA处理器	Xilinx(赛灵思,ZYNQ系列(FPGA核+ARM核),算法处理)
ARM处理器	Atmel(工控),飞思卡尔MX系列(汽车电子), 博通,Mavell(网络设备,树莓派)，高通(手机)
MIPS处理器	北京君正
低端单片机系列	51单片机,MSP420单片机,STM32高端单片机

 

1. ARM的定义

ARM既是一类处理器，又是一家公司，但是ARM不生产芯片，只做知识产权的授权。

例如：S5P6818芯片由三星生产，里面的CPU核是由ARM公司设计的，但是CPU核周围的控制器是三星公司根据用户需求，按照ARM公司指定的标准设计的。所以说，CPU核又称ARM核，但不是S5P6818。

 

1. ARM核版本划分

指令集架构	内核系列	具体处理器
ARMV4	ARM7	三星S3C44B0
ARMV5	ARM9	三星S3C2410/S3C2440
ARMV6	ARM11	三星S3C6410
ARMV7	CORTEX-A8/CORTEX-A9/    CORTEX-M3/M0…	三星S5PV210              XILINX的ZYNQ7200       STM32
ARMV8	CORTEX-A53/CORTEX-A57/  CORTEX-A75/A76	三星S5P6818

 

1. ARM核的两种工作状态

ARM状态：在此状态下，CPU核执行的指令位宽32bit，4字节大小

Thumb状态：在此状态下，CPU核执行的指令位宽16bit，2字节大小

 

1. ARM核的五级指令流水线

F(取指)->D(解码)->E(执行)->M(访存)->W(回写)

①取指：指令在内存中，CPU需要其内部的硬件取指器先到内存获取指令。

②解码：刚获取的指令CPU核并不识别，需要CPU内部的硬件解码器对指令进行解码翻译，翻译成CPU核真正能够执行的二进制。

③执行：解码完毕，CPU核立马执行。

④访存：CPU核先找到外设的地址，简称访存

⑤回写：将外设的数据加载或者读取到CPU核内部

 

1. ARM核的七中工作模式

序号	工作模式	触发场景
1	SVC管理模式	当系统复位或者软件调用swi指令代码,CPU核自动切换到SVC管理模式,权限最大
2	FIQ快速中断模式	当外设给CPU发送FIQ中断电信号,CPU核切换到此模式
3	IRQ中断模式	当外设给CPU发送IRQ中断电信号,CPU核切换到此模式
4	Abort终止模式	当CPU核取指F失败或者访存M失败,CPU核切换到此模式
5	Undef未定义指令模式	当CPU核执行一个不认识的指令时,CPU核切换到此模式,例如：lisi
6	System系统模式	与用户模式共用寄存器的特权模式
7	User用户模式	CPU核就是在User用户模式下,权限最小

其中，前五种称为异常模式，后两种称为非异常模式或者

前六种称为特权模式，最后一种称为非特权模式

 

1. ARM寄存器基础

1）寄存器特点：能够暂存数据，掉电丢失，跟内存类似

2）ARM寄存器分类：

①特殊功能寄存器：位于处理器内部集成的各种控制器的内部，通过地址指针的形式访问

②片内寄存器：位于外设内部的寄存器，而不是在处理器内部，通过时序访问

③ARM核寄存器：位于ARM核的内部，通过名称访问

1. ARM核寄存器分为两类：

①通用寄存器（31个）：r0，r1，r2，...，r15其中:

r13：又称sp，用来保存栈指针

r14：又称lr，用来保存返回地址

r15：又称pc，用来保存取指器要取的那条指令

其余寄存器随意存储。

②状态寄存器（6个）：

1个cpsr：保存当前程序运行的状态

5个spsr：备份spsr

1. cpsr寄存器详解

1. 特点：数量仅有一个，七种工作模式共用
2. 作用：用来保存当前程序的运行状态，cpsr值的改变由CPU核硬件设置，软件编程也可以实现。
3. cpsr各bit位含义：

①bit[4:0]：模式位：保存当前CPU核的工作模式（User模式只能对这五位做读操作，特权模式下可以进行写操作）

②bit[5]：状态位（T位）：=0,ARM状态；=1,Thumb状态

③bit[6]：FIQ状态位（F位）：=0,允许CPU核响应处理FIQ中断电信号

=1,屏蔽FIQ中断电信号

④bit[7]：IRQ状态位（I位）：=0,允许CPU核响应IRQ中断电信号

=1,屏蔽FIQ中断电信号

⑤bit[28]：V位：=0,程序运算无溢出

  =1,程序运算发生溢出（了解）

⑥bit[29]：C位：=0,程序运算无进位或者借位现象

  =1,程序运算结果出现进位或者借位现象

⑦bit[30]：Z位：=0,程序运算结果不为0

  =1,程序运算结果为0

⑧bit[31]：N位：=0,程序运算结果非负或者>=

  =1,程序运算结果为负或者<

1. 影响cpsr的两种情形(涉及汇编)：

①指令后面加s，运算结构影响cpsr的NZCV位

例如：

MOV R1,#1

MOV R2,#-1

ADD R0,R1,R2   @R0=R1+R2=1-1=0,不会影响NZCV位

ADDS R0,R1,R2  @R0=R1+R2=1-1=0,运算结果R0=0，此时cpsr的Z=1

②CMP比较指令后面不加s，运算结构一样会影响cpsr的NZCV位

例如：

MOV R0,#1

CMP R0,#1  @本质:运算结果=R0-1=0，cpsr的Z=1

            @结论:Z=1:结果为0,表示相等;Z=0,结果不为0,表示不相等

 

1. spsr寄存器详解

1. 特点：spsr寄存器共有5个：spsr_fiq/spsr_irq/spsr_svc/spsr_abort/spsr_undef
2. 功能：spsr用于备份cpsr，当CPU核的模式发生转换时，必须将cpsr备份到spsr，等CPU核返回到原来的模式下运行之前，会吧spsr恢复到cpsr。

 

 

 

 

1. ARM核的七种异常

异常	工作模式	CPU核运行入口	触发异常场景
复位异常	SVC管理模式	0x00	系统复位
未定义指令异常	未定义指令模式	0x04	CPU执行不认识的指令
软中断异常	SVC管理模式	0x08	CPU核执行swi指令时
取指异常	Abort终止模式	0x0c	CPU核取指失败
数据处理异常	Abort终止模式	0x10	CPU核访存失败
IRQ中断异常	IRQ中断模式	0x18	外设给CPU核发送IRQ中断电信号
FIQ中断异常	FIQ中断模式	0x1c	外设给CPU核发送FIQ中断电信号

模式切换举例：假设CPU核正在执行某个进程的代码，并处于User模式，突然CPU核接收到了UART控制器发送的IRQ中断电信号，CPU核立马触发一个IRQ中断异常，CPU核会由User模式切换到IRQ中断模式。不管CPU核现在在哪个地址运行，此时CPU核会到0x18地址去运行(F->D->E->(M)->W)

 

异常处理流程（八步骤）：

1. 硬件四步：

①备份cpsr：spsr_mode=cpsr

②根据工作模式重新设置cpsr。

例如：bit[4:0]设置成对用工作模式，并让CPU切换到响应模式下

bit[5]转换成ARM状态

Bit[7:6]重新设置是否响应IPQ和FIQ中断

③保存返回地址：lr_mode=pc-4

④设置PC，实现跳转：将PC设置成某个异常的入口地址(0x00/0x04...)，这样CPU核就会跑到异常入口地址去运行对应指令。

 

1. 软件四步(1,2,4步都是由芯片厂商提供，我们只需完成第三步)：

①提前建立异常向量表：异常向量表就是异常入口地址与其对应指令代码组成的一个8行2列的代码片段（类似表格）

 

 

 

异常入口地址	指令
0x00	b reset_function
0x04	b undef_function
0x08	b swi_function
0x0C	b fetch_abort_function
0x10	b data_abort_function
0x14	b .
0x18	b irq_function
0x1C	b fiq_function

②异常向量表的代码首先做：保护现场(把异常前ARM核寄存器中的数据保存到栈中[压栈])

③调用异常处理函数：根据用户需求编写响应的处理函数

④恢复现场，状态恢复，跳转返回：

1. 恢复现场：把栈中保存的数据恢复到ARM核寄存器中(出栈)   pop {r0-lr}^
2. 状态恢复：cpsr=spsr_mode
3. 跳转返回：pc=lr_mode(模式不同指令不同)

注：

软中断异常/未定义指令异常的状态恢复和跳转返回指令：movs pc, lr

irq/fiq/取指异常的状态恢复和跳转返回指令：subs pc, lr, #4

数据处理异常的状态恢复和跳转返回指令：subs pc, lr, #8

 

参考代码：

b irq_func  @地址0x18

...

irq_function:

@1.先保护现场，压栈

sub lr,pc,#4

push {r0-lr}

@2.根据用户需求调用异常处理函数

bl do_irq    @do_irq应该C程序实现

@3.恢复现场,状态恢复,跳转返回

pop {r0-lr}^  @^是实现状态恢复：cpsr=spsr_irq

movs pc, lr

 

 

 

 

补充1：数据存储的类型：

存储类型	访问速度	访问形式	数量
ARM核寄存器	最快	名称	有限
Cache二级缓存	低于ARM核寄存器	硬件自访问	有限
内存	低于cache	地址	容量大
闪存	最慢	时序或地址	容量最大

补充2：函数之间传递参数的方式

①ARM核寄存器传递：速度快但数量少。ARM核中传递参数的只有r0,r1,r2,r3寄存器(多出来的用栈传递)，函数若有返回值，则返回值存储到r0（不建议函数传参个数大于等于四个，如果参数过多，建议使用结构体封装，并传递结构体指针变量）

②栈传递：除去多出来的参数不用寄存器传递，用栈传递外，可以使用asmlinkage关键字，强制使用栈传递(这样可以节约资源给linux其他重要程序使用，提高效率/register关键字可以设置某个变量强制使用寄存器传递)

③全局变量(数据段)传递：不建议使用，滥用全局变量会造成各种隐藏BUG，尤其在使用多线程时，必须增加必要保护(mutex锁，条件变量，信号量等)