ARM体系结构理论基础

目录

一、ARM处理器概述

1.1ARM的含义

二、ARM指令集概述

2.1指令集

2.2ARM指令集

2.3编译原理

三、ARM存储模型

3.1ARM数据类型

3.2 字节序

3.2 ARM指令存储

四、ARM工作模式 

4.1ARM有8个基本的工作模式

4.2 对工作模式的理解

4.3ARM工作模式分类

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一、ARM处理器概述

1.1ARM的含义

1.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

2.ARM产品系列：

早先经典处理器：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

3.RISC:RISC处理器

（经典指令集）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

4..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

5.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

二、ARM指令集概述

2.1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

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

2.2ARM指令集

大多数ARM处理器都支持两种指令集：

1. ARM指令集

    所有指令（机器码）都占用32bit（4个字节）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

2. Thumb指令集

    所有指令（机器码）都占用16bit（2个字节）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

2.3编译原理

汇编是通过符号代替机器码（0和1），汇编语言与机器码一一对应,汇编解决机器语言不能读写的问题，但是其不能移植。

c语言之所以能不区分架构处理器，是因为不同的编译器对c语言程序编译成不同架构相对应可识别的机器码。

gcc编译四部分：预处理：删除注释，展开宏；编译：c语言转成汇编语言；汇编：汇编语言转成机器码；链接:将机器码与库中机器码合成，生成程序

1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

2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

3 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

三、ARM存储模型

3.1ARM数据类型

1. ARM采用32位架构（arm 单次处理数据的能力）

        在32位的系统中（比如win32） 1字（word）= 4字节（byte）=32（bit）， 字由若干个字节组成，一个字节是8个比特bit，字的长度与计算架构有关

        在64位的系统中（比如win64）  1字（word）= 8字节（byte）=64（bit）

 ARM基本数据类型有以下三种

        Byte（字节）          8bits

        Halfword（半字）  16bits

         Word（字）           32bits

2.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

3.2 字节序

字节序：大于一个字节类型的数据在内存中的存放顺序

在十进制中靠左边的是高位，靠右边的是低位，在其他进制也是如此。例如 0x12345678，从高位到低位的字节依次是0x12、0x34、0x56和0x78。

1.大端对齐（网络字节序）

    低地址存放高位，高地址存放低位

    a = 0x12345678;

2. 小端对齐（主机字节序）

    低地址存放低位，高地址存放高位

    a = 0x12345678;（0x78放在首地址）

注：ARM一般使用小端对齐，路由器大端对齐

3.2 ARM指令存储

1.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]（‘第31位’到‘第2位'）决定，[1:0]位未定义（‘第1’到‘第0位'，最后两位置0）//cpu只看前30位，最后两位一定是00

2. 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//最后一位为0

注：即指令本身是多少位在内存存储时就应该多少位对齐

四、ARM工作模式 

满足不同场合下的需求

4.1ARM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（中断：当前正常的事被打断，处理别的事）

  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（代码产生中断）指令后ARM将进入这种模式

  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

4.2 对工作模式的理解

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

4.3ARM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