ARM体系结构

编程原理

从源代码到CPU执行过程

体系结构

冯诺依曼结结构

程序和数据放在同一内存中，彼此不分离的结构。如：Intel CPU

• 特点
  • 安全和稳定性不好
  • 处理起来简单

哈佛结构

程序（一般放在ROM、Flash中）和数据（一般放在RAM中）分开独立存放在不同的内存块中，彼此完全分离的结构。如：单片机、ARM CPU

• 特点
  • 安全和稳定性高
  • 软件处理复杂

指令集

• CISC复杂指令集
  • 设计理念：用最少的指令完成任务
  • CPU本身设计复杂，工艺复杂
  • 如：Intel CPU
• RISC精简指令集
  • 设计理念：让软件完成具体的任务，CPU本身仅提供基本指令集
  • 编译器的设计变难了
  • 如：ARM CPU

总线编址方式

• IO与内存独立编址
  使用专用的CPU指令来访问某种特定外设。如：Intel CPU
• IO与内存统一编址
  把外设的寄存器当做一个内存地址来读写。如：ARM CPU

ARM CPU 工作模式

7个基本工作模式

• 非特权模式
  • User：普通模式，大部分任务执行在这种模式
• 特权模式
  • 系统模式
    • System：使用和User模式相同寄存器集的特权模式
  • 异常模式
    • FIQ：当高优先级（fast）中断产生时，进入这种模式
    • IRQ：当低优先级（normal）中断产生时，进入这种模式
    • Supervisor：当复位或软中断指令执行时，进入这种模式
    • Abort：当存取异常时，进入这种模式
    • Undef：当执行未定义指令时，进入这种模式

寄存器

寄存器特性

• 寄存器属于CPU外设的硬件组成部分
• CPU可以像访问内存一样访问寄存器
• 寄存器设计的目的是留作外设被编程控制的“活动开关”
• 寄存器中每个bit位都有特定含义，编程时需要位操作。如STM32寄存器编程
• 单个寄存器的位宽一般和CPU的位宽一样，以实现最佳访问效率

寄存器分类

• 通用寄存器
  • 是CPU的组成部分，ARM CPU有37个。
• SFR（特殊功能寄存器）
  • 不在CPU中，而是存在于CPU的外设中，可通过访问外设的SFR来编程操控这个外设。

ARM CPU的37个寄存器

• ARM 共有37个寄存器，但每种工作模式下最多只能看到18个寄存器，其他寄存器在当前模式下不可见。这种设计叫影子寄存器（banked register）
• ARM 37个寄存器，都是32位长度
  • 30个：“通用”型
  • 1个：固定用作PC
  • 1个：固定用作CPSR
  • 5个：固定用作5种异常模式下的SPSR
• CPSR程序状态寄存器
  • CPSR中各个bit位表明了CPU的某些状态信息
  • CPSR中的I、F位和开中断、关中断有关
  • CPSR的mode位决定了CPU的工作模式
• PC（Program control register）程序指针
  • 整个CPU只有一个PC，PC指向哪里，CPU就会执行哪条指令
    

ARM 异常处理方式

异常

• 正常工作之外的流程都叫异常
• 异常会打断正在执行的工作，且异常处理完成后继续回来执行原来的工作
• 中断是异常的一种

异常向量表

• 所有的CPU都有异常向量表，是CPU设计时就设定好的，是硬件决定的
• 当异常发生时，CPU会自动动作（PC跳转到异常向量处处理异常）
• 异常向量表是硬件向软件提供的处理异常的支持

异常处理机制

• 当异常产生时，ARM core进行现场保护：
  • 拷贝CPSR到SPSR_
  • 设置适当的CPSR位：
    • 改变处理器状态进入ARM态
    • 改变处理器模式进入相应的异常模式
    • 如果需要，设置中断禁止位禁止中断
  • 保存返回地址到LR_
  • 设置PC为相应的异常向量
• 返回时：
  • 从SPSR_恢复CPSR
  • 从LR_恢复PC

内存地址映射

以S5PV210为例，ARM Cortex-A8架构，32位CPU。

• 相关术语表

术语	描述
ROM（Read only Memory）	只读存储器
RAM（Random access Memory）	随机访问存储器
IROM（Internal ROM）	内部ROM，集成到SOC内部的ROM
IRAM（Internal RAM）	内部RAM，集成到SOC内部的RAM
DRAM（Dynamic RAM）	动态RAM
SRAM（Static RAM）	静态RAM
SFR（Special function Register）	特殊功能寄存器

内存与外存

• 内存/外存区别

术语	用途	描述
内存	用来运行程序	RAM，如DRAM、SRAM、DDR
外存	用来存储程序和数据	ROM，如Flash（Nand、iNand、U盘、SSD）、硬盘、光盘

• 内存的区别

术语	特点
SRAM	容量小、价格高，优点是不需要软件初始化，上电直接就能用
DRAM	容量大、价格低，缺点是上电后不能直接使用，需要软件初始化后才能使用

• 外存的区别

术语	特点
NorFlash	容量小、价格高，优点是可以和CPU直接总线式相连，CPU上电后直接读取。一般用作启动介质
NandFlash	容量大、价格低，缺点是不能总线式访问，上电时CPU不能直接读取，需要CPU先运行初始化软件，然后通过时序接口进行读写

SOC启动过程

启动过程

启动过程对比

类型	描述
PC机	很小容量的BIOS（NorFlash） + 很大容量的硬盘（类似于NandFlash） + 大容量的DRAM
单片机	很小容量的NorFlash + 很小容量的SRAM
SoC	外接的大容量Nand + 外接的大容量DRAM + SOC内置的SRAM

SOC启动步骤示例

• 第一步：CPU上电后先从内部IROM中读取预先设置的代码（BL0），并执行。BL0代码，首先做一些基本初始化（CPU时钟，关看门狗…）；然后判断选择启动模式（如通过OMPin设置），并从对应的外部存储器中去读取第一部分启动代码（BL1，大小为16KB）到内部SRAM。
• 第二步：从IRAM中去运行上一步读取来的BL1（16KB）。BL1负责初始化NandFlash，然后将BL2读取到IRAM（剩余的80KB）。
• 第三步：从IRAM运行BL2，BL2初始化DRAM；然后将OS读取到DRAM中，并启动OS。启动过程结束。