ARM基础
- 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 |
- 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。
- 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 |
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- cpsr寄存器详解
- 特点：数量仅有一个，七种工作模式共用
- 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。
- 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<
- 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
- spsr寄存器详解
- 特点：spsr寄存器共有5个：spsr_fiq/spsr_irq/spsr_svc/spsr_abort/spsr_undef
- 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。
- 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）：
- 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。
- 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：
- 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}^
- 状态恢复：cpsr=spsr_mode
- 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)