ARM学习-ARM架构基本内容

1.ARM处理器简介及RISC特点

1.1ARM处理器简介

　　ARM（Advanced RISC Machines）是一个32位RISC（精简指令集）处理器架构，ARM处理器则是ARM架构下

的微处理器。ARM处理器广泛的使用在许多嵌入式系统。ARM处理器的特点有指令长度固定，执行效率高，低成本等。

1.2 RISC设计主要特点

（１）指令集——RISC减少了指令集的种类，通常一个周期一条指令，采用固定长度的指令格式，编译器或程序员通过几条指令完成一个复杂的操作。而CISC指令集的指令长度通常不固定；

　　（２）流水线——RISC采用单周期指令，且指令长度固定，便于流水线操作执行；

　　（３）寄存器——RISC的处理器拥有更多的通用寄存器，寄存器操作较多。例如ARM处理器具有37个寄存器；

　　（４）Load/Store结构——使用加载/存储指令批量从内存中读写数据，提高数据的传输效率；

　　（５）寻址方式简化，指令长度固定，指令格式和寻址方式种类减少。

2. Arm的基本数据类型

　　双字节（DoubleWord）：64位

　　字（Word）：在ARM体系结构中，字的长度为32位。

　　半字（Half-Word）：在ARM体系结构中，半字的长度为16位。

　　字节（Byte）：在ARM体系结构中，字节的长度为8位。

3. ARM处理器存储格式

　　ARM体系结构将存储器看作是从0地址开始的字节的线性组合。作为32位的微处理器，ARM体系结构所支持的

最大寻址空间为4GB。ARM体系结构可以用两种方法存储字数据，分别为大端模式和小端模式。

　　大端模式（高地高低）：字的高字节存储在低地址字节单元中，字的低字节存储在高地址字节单元中。

　　小端模式（高高低低）：字的高字节存储在高地址字节单元中，字的低字节存储在低地址字节单元中。

4. 内核的工作模式

　　1、用户模式（user）：正常程序执行模式；

　　2、快速中断模式（FIQ）：高优先级的中断产生会进入该种模式，用于高速通道传输；

　　3、外部中断模式（IRQ）：低优先级中断产生会进入该模式，用于普通的中断处理；

　　4、特权模式（Supervisor）：复位和软中断指令会进入该模式；

　　5、数据访问中止模式（Abort）：当存储异常时会进入该模式；

　　6、未定义指令中止模式（Undefined）：执行未定义指令会进入该模式；

　　7、系统模式（System）：用于运行特权级操作系统任务；

　　8、监控模式（Monitor）：可以在安全模式和非安全模式之间切换；

5. ARM9的5级流水线

5.1 流水线的执行顺序

取指令->译码->执行->缓冲/数据->回写

　　（１）取指令（Fetch）：从存储器读取指令；

　　（２）译码（Decode）：译码以鉴别它是属于哪一条指令；

　　（３）执行（Execute）：将操作数进行组合以得到结果或存储器地址；

　　（４）缓冲/数据（Buffer/data）：如果需要，则访问存储器以存储数据；

　　（５）回写：（Write-back）：将结果写回到寄存器组中；

5.2 影响流水线性能的因素

（１）互锁：

　　不同的指令顺序也会造成时钟周期的不同，比如一条指令的执行需要前一条指令执行的结果，如果这时结果

　　还没出来，那就需要等待，这就是流水线互锁：

LDR r1, [r2, #4]　

ADD r0, r0, r1  //r1的值需要等到LDR的结果

（２）跳转指令：

　　跳转指令也会破坏流水线的行为，后续指令的取值步骤受到跳转目标的影响。

5.3 寄存器组织

（１）ARM Cortex-A8处理器有40个32位长的寄存器：

　　　　ａ、32个通用寄存器

　　　　ｂ、7个状态寄存器：1个CPSR（当前程序状态寄存器）

　　　　 6个SPSR（备份程序状态寄存器）

　　　　ｃ、1个PC（程序计数器）

（２）每一种处理器模式有一组响应的寄存器组，如下对应方式：

（３）通用寄存器包括R0-R15，可以分为3类：

Ａ、未分组寄存器R0 – R7：

　　在所有运行模式下，未分组寄存器都指向同一个物理寄存器，他们未被系统用作特殊的用途。因此在中断或异常

处理进行异常模式转换时，由于不同的处理器运行模式均使用相同的物理寄存器，所以可能造成寄存器中数据的破坏。

Ｂ、分组寄存器R8 – R14：

　　对于分组寄存器，他们每次所访问的物理寄存器都与当前的处理器运行模式相关。

　　R13常用作存放堆栈指针，用户也可以使用其他寄存器存放堆栈指针，称为SP；

　　R14称为链接寄存器（LR），当执行子程序时，R14可得到R15（PC）的备份，执行完子程序后，又将R14的值

　　复制回PC，即使用R14保存返回地址。

Ｃ、程序计数器PC（R15）：

　　寄存器R15用作程序计数器（PC），在ARM状态下，位[1:0]为0，位[31:2]用于保存PC；在Thumb状态下,位[0]为0，

　　位[31:1]用于保存PC。对于ARM指令集而言，PC总是指向当前指令的下两条指令的地址，即PC的值为当前指令的

　　地址值加8个字节。

（４）程序状态寄存器：

　　CPSR（Current Program Status Register，当前程序状态寄存器），CPSR可在任何运行模式下被访问，它包括

条件标志位、中断禁止位、当前处理器模式标志位以及其他一些相关的控制和状态位。包含以下内容：

ALU状态标志的备份；
当前的处理模式
中断使能标志；
设置处理的状态；
　　每一种运行模式下都有一个专用的物理状态寄存器，称为SPSR（Saved Program Status Register，备份的程序

状态寄存器），当异常发生时，SPSR用于保存当前CPSR的值，从异常退出时则可由SPSR来恢复CPSR。

由于用户模式和系统模式不属于异常模式，这两种状态下没有SPSR，因此在这两种状态下访问SPSR，结果是未知的。

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