Cortex-A7内核架构知识总结

I.MX6UL 使用的是 Cortex-A7 架构，本章就给大家介绍一下 Cortex-A7 架构的一些基本知识。了解了 Cortex-A7 架构以后有利于我们后面的学习，因为后面有很多例程涉及到 Cortex-A7架构方面的知识，比如处理器模型、Cortex-A7 寄存器组等等，但是 Cortex-A7 架构很庞大，远不是一章就能讲完的，所以本章只是对 Cortex-A7 架构做基本的讲解，主要是为我们后续的试验打基础。

本章参考了《Cortex-A7 Technical ReferenceManua.pdf》和《ARM Cortex-A(armV7)编程手册 V4.0.pdf》这俩份文档，这两份文档都是 ARM 官方的文档，详细的介绍了 Cortex-A7 架构和ARMv7-A 指令集。

Cortex-A7 MPCore 简介

Cortex-A7 MPcore 处理器支持 1~4 核，通常是和 Cortex-A15 组成 big.LITTLE 架构的，Cortex-A15 作为大核负责高性能运算，比如玩游戏啥的，Cortex-A7 负责普通应用，因为 CortexA7 省电。Cortex-A7 本身性能也不弱，ARM 官网对于 Cortex-A7 的说明如下：

“在 28nm 工艺下，Cortex-A7 可以运行在 1.2~1.6GHz，并且单核面积不大于 0.45mm2 (含有浮点单元、NEON 和 32KB 的 L1 缓存)，在典型场景下功耗小于 100mW， 这使得它非常适合对功耗要求严格的移动设备，这意味着 Cortex-A7 在获得与 Cortex-A9 相似性能的情况下，其功耗更低”。

Cortex-A7 MPCore 支持在一个处理器上选配 1~4 个内核，Cortex-A7 MPCore 多核配置如图6.1.1 所示：

注意区分架构和内核。

Cortex-A7 MPCore 的 L1 可选择 8KB、16KB、32KB、64KB，L2 Cache 可以不配，也可以选择 128KB、256KB、512KB、1024KB。I.MX6UL 配置了 32KB 的 L1 指令 Cache 和 32KB 的L1 数据 Cache，以及 128KB 的 L2 Cache。Cortex-A7MPCore 使用 ARMv7-A 架构，主要特性如下：

①、SIMDv2 扩展整形和浮点向量操作。

②、提供了与 ARM VFPv4 体系结构兼容的高性能的单双精度浮点指令，支持全功能的IEEE754。

③、支持大物理扩展(LPAE)，最高可以访问 40 位存储地址，也就是最高可以支持 1TB 的内存。

④、支持硬件虚拟化。

⑥、支持 Generic Interrupt Controller(GIC)V2.0。

⑦、支持 NEON，可以加速多媒体和信号处理算法。

不太明白，先放着吧，后续有需要再深究。

Cortex-A 处理器运行模型

以前的 ARM 处理器有 7 中运行模型：User、FIQ、IRQ、Supervisor(SVC)、Abort、Undef和 System，其中 User 是非特权模式，其余 6 中都是特权模式。但新的 Cortex-A 架构加入了TrustZone 安全扩展，所以就新加了一种运行模式：Monitor，新的处理器架构还支持虚拟化扩展，因此又加入了另一个运行模式：Hyp，所以 Cortex-A7 处理器有 9 种处理模式，如表 6.2.1所示：

如果学过 STM32 和 UCOS、FreeRTOS 就会知道，STM32 只有两种运行模式，特权模式和非特权模式，但是 Cortex-A 就有 9 种运行模式。

在表 6.2.1中，除了 User(USR)用户模式以外，其它 8 种运行模式都是特权模式。这几个运行模式可以通过软件进行任意切换，也可以通过中断或者异常来进行切换。大多数的程序都运行在用户模式，用户模式下是不能访问系统所有资源的，有些资源是受限的，要想访问这些受限的资源就必须进行模式切换。但是用户模式是不能直接进行切换的，用户模式下需要借助异常来完成模式切换，当要切换模式的时候，应用程序可以产生异常，在异常的处理过程中完成处理器模式切换。

当中断或者异常发生以后，处理器就会进入到相应的异常模式种，每一种模式都有一组寄存器供异常处理程序使用，这样的目的是为了保证在进入异常模式以后，用户模式下的寄存器不会被破坏。

更多参考：

ARM的七种工作模式 - 张晋毅 - 博客园 (cnblogs.com)

（1）用户模式：

用户模式是用户程序的工作模式，它运行在操作系统的用户态，它没有权限去操作其它硬件资源，只能执行处理自己的数据，也不能切换到其它模式下，要想访问硬件资源或切换到其它模式只能通过软中断或产生异常。

（2）系统模式：

系统模式是特权模式，不受用户模式的限制。用户模式和系统模式共用一套寄存器，操作系统在该模式下可以方便的访问用户模式的寄存器，而且操作系统的一些特权任务可以使用这个模式访问一些受控的资源。

说明：用户模式与系统模式两者使用相同的寄存器，都没有SPSR（Saved Program Statement Register，已保存程序状态寄存器），但系统模式比用户模式有更高的权限，可以访问所有系统资源。

（3）一般中断模式：

一般中断模式也叫普通中断模式，用于处理一般的中断请求，通常在硬件产生中断信号之后自动进入该模式，该模式为特权模式，可以自由访问系统硬件资源。

（4）快速中断模式：

快速中断模式是相对一般中断模式而言的，它是用来处理对时间要求比较紧急的中断请求，主要用于高速数据传输及通道处理中。

（5）管理模式（Supervisor，SVC） ：

管理模式是CPU上电后默认模式，因此在该模式下主要用来做系统的初始化，软中断处理也在该模式下。当用户模式下的用户程序请求使用硬件资源时，通过软件中断进入该模式。

说明：系统复位或开机、软中断时进入到SVC模式下。

首先，ARM开发板在刚上电或复位后都会首先进入SVC即管理模式，此时、程序计数器R15-