1.ARM簡介

ARM是Advanced RISC Machines的縮寫，它是一家微處理器行業(yè)的知名企業(yè)，該企業(yè)設(shè)計了大量高性能、廉價、耗能低的RISC （精簡指令集）處理器。公司的特點是只設(shè)計芯片，而不生產(chǎn)。它將技術(shù)授權(quán)給世界上許多著名的半導(dǎo)體、軟件和OEM廠商，并提供服務(wù)。

1.1 ARM（Advanced RISC Machines）的幾種含義:

1、ARM是一種RISC MPU/MCU的體系結(jié)構(gòu)，如同x86架構(gòu)是一種CISC體系結(jié)構(gòu)一樣。另外，還有MIPS架構(gòu)、PowerPC架構(gòu)等等。

2、ARM是Advanced RISC Machine Limited公司的簡稱。

3、ARM是Advanced RISC Machine Limited公司的產(chǎn)品，該產(chǎn)品以IP Core（Intellectual Property Core，知識產(chǎn)權(quán)核）的形式提供的。

4、ARM還用以泛指許多半導(dǎo)體廠商買了這種設(shè)計后生產(chǎn)出來的“ARM處理器”系列的芯片及其衍生產(chǎn)品。

半導(dǎo)體廠商固然可以光購買ARM公司的設(shè)計而直接生產(chǎn)ARM處理器芯片，但是更好的方法是以ARM處理器為核心，在同一塊芯片上配上自己開發(fā)的外圍模塊，形成面向特定應(yīng)用和市場的專用芯片，甚至“片上系統(tǒng)（System on a Chip，SoC）”。這樣，作為專用處理器/控制器芯片的生產(chǎn)商既可以減少開發(fā)中的風(fēng)險，又可以大大縮短開發(fā)周期，降低成本。所以，“ARM處理器”一般是作為“內(nèi)核”存在于一些專用處理器/控制器的內(nèi)部，因而又常常叫做“ARM核”。特別地，如果一個處理器核不帶浮點運算功能，有時候就對此特別加以強(qiáng)調(diào)，稱之為“整形核”。

1…2 ARM微處理器的特點

（1）ARM指令都是32位定長的

（2）寄存器數(shù)量豐富（37個寄存器）

（3）普通的Load/Store指令

（4）多寄存器的Load/Store指令

（5）指令的條件執(zhí)行

（6）單時鐘周期中的單條指令完成數(shù)據(jù)移位操作和ALU操作

（7）通過變種和協(xié)處理器來擴(kuò)展ARM處理器的功能

（8）擴(kuò)展了16位的Thumb指令來提高代碼密度

ARM作為RISC微處理器與CISC微處理器技術(shù)對比如下：
 

1.3 ARM微處理器系列

 

1.3.1 Classic ARM Processors (經(jīng)典 ARM 處理器)

 • ARM11™ 系列 - 基于 ARMv6 架構(gòu)的高性能處理器
• ARM9™ 系列 - 基于 ARMv5 架構(gòu)的常用處理器
• ARM7™ 系列- 面向通用應(yīng)用的經(jīng)典處理器 
ARM 經(jīng)典處理器適用于那些希望在新應(yīng)用中使用經(jīng)過市場驗證的技術(shù)的組織。這些處理器提供了許多的功能、卓越的能效和范圍廣泛的操作性能，適用于成本敏感型解決方案。這些處理器每年都有數(shù)十億的發(fā)貨量，因此可確保設(shè)計者獲得最廣泛的生態(tài)系統(tǒng)和資源，從而最大限度地減少集成過程中出現(xiàn)的問題并縮短上市時間。

1.3.2 Embedded Cortex Processors (ARM Cortex 嵌入式處理器)
• Cortex-R 系列 - 面向?qū)崟r應(yīng)用的卓越性能
• Cortex-M 系列 - 面向具有確定性的微控制器應(yīng)用的成本敏感型解決方案
Cortex 嵌入式處理器旨在為各種不同的市場提供服務(wù)。

Cortex-M 系列處理器主要是針對微控制器領(lǐng)域開發(fā)的，在該領(lǐng)域中，既需進(jìn)行快速且具有高確定性的中斷管理，又需將門數(shù)和可能功耗控制在最低。


而 Cortex-R 系列處理器的開發(fā)則面向深層嵌入式實時應(yīng)用，對低功耗、良好的中斷行為、卓越性能以及與現(xiàn)有平臺的高兼容性這些需求進(jìn)行了平衡考慮。

• Cortex-A 系列
 

ARM編程模型

1. ARM數(shù)據(jù)類型

（1）字（Word）：在ARM體系結(jié)構(gòu)中，字的長度為32位。

（2）半字（Half-Word）：在ARM體系結(jié)構(gòu)中，半字的長度為16位。

（3）字節(jié)（Byte）：在ARM體系結(jié)構(gòu)中，字節(jié)的長度為8位。

2. ARM處理器存儲格式

ARM體系結(jié)構(gòu)將存儲器看作是從0地址開始的字節(jié)的線性組合。作為32位的微處理器，ARM體系結(jié)構(gòu)所支持的最大尋址空間為4GB。

ARM體系結(jié)構(gòu)可以用兩種方法存儲字?jǐn)?shù)據(jù)，分別為大端模式和小端模式。

大端模式（高地高低）：字的高字節(jié)存儲在低地址字節(jié)單元中，字的低字節(jié)存儲在高地址字節(jié)單元中。

小端模式（高高低低）：字的高字節(jié)存儲在高地址字節(jié)單元中，字的低字節(jié)存儲在低地址字節(jié)單元中。

3. ARM處理器工作狀態(tài)

從編程的角度來看，ARM微處理器的工作狀態(tài)一般ARM和Thumb有兩種，并可在兩種狀態(tài)之間切換。

（1）ARM狀態(tài)：此時處理器執(zhí)行32位的字對齊ARM指令，絕大部分工作在此狀態(tài)。

（2）Thumb狀態(tài)：此時處理器執(zhí)行16位的半字對齊的Thumb指令。

4. ARM處理器工作模式

（1）用戶模式（usr，User Mode）：ARM處理器正常的程序執(zhí)行狀態(tài)。

（2）快速中斷模式（fiq，F(xiàn)ast Interrupt Request Mode）：用于高速數(shù)據(jù)傳輸或通道處理。當(dāng)觸發(fā)快速中斷時進(jìn)入此模式。

（3）外部中斷模式（irq，Interrupt Request Mode）：用于通用的中斷處理。當(dāng)觸發(fā)外部中斷時進(jìn)入此模式。

（4）管理模式（svc，Supervisor Mode）：操作系統(tǒng)使用的保護(hù)模式。在系統(tǒng)復(fù)位或執(zhí)行軟件中斷指令SWI時進(jìn)入。

（5）數(shù)據(jù)訪問中止模式（abt，Abort Mode）：當(dāng)數(shù)據(jù)或指令預(yù)取中止時進(jìn)入該模式，可用于虛擬存儲及存儲保護(hù)。

（6）系統(tǒng)模式（sys，System Mode）：運行具有特權(quán)的操作系統(tǒng)任務(wù)。

（7）未定義指令中止模式（und，Undefined Mode）：當(dāng)未定義的指令執(zhí)行時進(jìn)入該模式，可用于支持硬件協(xié)處理器的軟件仿真。

除了用戶模式之外，其余六種模式都是特權(quán)模式。除了用戶模式和系統(tǒng)模式之外，其余五種模式都是異常模式。

在特權(quán)模式下程序可以訪問所有的系統(tǒng)資源。非特權(quán)模式和特權(quán)模式之間的區(qū)別在于有些操作只能在特權(quán)模式下才被允許，例如直接改變模式和中斷使能等。而且為了保證數(shù)據(jù)安全，一般MMU會對地址空間進(jìn)行劃分，只有特權(quán)模式才能訪問所有的地址空間。而用戶模式如果需要訪問硬件，必須切換到特權(quán)模式下，才允許訪問硬件。

5. ARM處理器寄存器組織

ARM共有37個32位寄存器，其中31個為通用寄存器，6個為狀態(tài)寄存器，包括R0-R15，R8_fiq-R14_fiq，R13_svc,R14_svc,R13_abt,R14_abt,R13_irq,R14_irq,R13_und,R14_und,CPSR,SPSR_fiq,SPSR_svc,SPSR_abt,SPSR_irq，SPSR_und。如圖。

通用寄存器包括R0-R15，可以分為3類：

（1）未分組寄存器R0-R7

在所有運行模式下，未分組寄存器都指向同一個物理寄存器，他們未被系統(tǒng)用作特殊的用途。因此在中斷或異常處理進(jìn)行異常模式轉(zhuǎn)換時，由于不同的處理器運行模式均使用相同的物理寄存器，所以可能造成寄存器中數(shù)據(jù)的破壞。

（2）分組寄存器R8-R14

對于分組寄存器，他們每次所訪問的物理寄存器都與當(dāng)前的處理器運行模式相關(guān)。具體如上圖。

R13常用作存放堆棧指針，用戶也可以使用其他寄存器存放堆棧指針，但在Thumb指令集下，某些指令強(qiáng)制要求使用R13存放堆棧指針。

R14稱為鏈接寄存器（LR，Link Register），當(dāng)執(zhí)行子程序時，R14可得到R15（PC）的備份，執(zhí)行完子程序后，又將R14的值復(fù)制回PC，即使用R14保存返回地址。

（3）程序計數(shù)器PC（R15）

寄存器R15用作程序計數(shù)器（PC），在ARM狀態(tài)下，位[1:0]為0，位[31:2]用于保存PC；在Thumb狀態(tài)下,位[0]為0，位[31:1]用于保存PC。

由于ARM體系結(jié)構(gòu)采用了多級流水線技術(shù)，對于ARM指令集而言，PC總是指向當(dāng)前指令的下兩條指令的地址，即PC的值為當(dāng)前指令的地址值加8個字節(jié)。

6. 程序狀態(tài)寄存器CPSR和SPSR

CPSR（Current Program Status Register，當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器），CPSR可在任何運行模式下被訪問，它包括條件標(biāo)志位、中斷禁止位、當(dāng)前處理器模式標(biāo)志位以及其他一些相關(guān)的控制和狀態(tài)位。

每一種運行模式下都有一個專用的物理狀態(tài)寄存器，稱為SPSR（Saved Program Status Register，備份的程序狀態(tài)寄存器），當(dāng)異常發(fā)生時，SPSR用于保存當(dāng)前CPSR的值，從異常退出時則可由SPSR來恢復(fù)CPSR。

由于用戶模式和系統(tǒng)模式不屬于異常模式，這兩種狀態(tài)下沒有SPSR，因此在這兩種狀態(tài)下訪問SPSR，結(jié)果是未知的。

CPSR保存數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)：

1）N（Negative）：當(dāng)用兩個補(bǔ)碼表示的帶符號數(shù)進(jìn)行運算時，N=1表示結(jié)果為負(fù)，N=0表示結(jié)果為正數(shù)或零

2）Z（Zero）：Z=1表示運算結(jié)果為0，Z=0表示運算結(jié)果非零

3）C（Carry）：有4種方法可以設(shè)置C的值：

（1）加法指令（包括比較指令CMP）

（2）當(dāng)運算產(chǎn)生進(jìn)位時（無符號數(shù)溢出），C=1，否則C=0

（3）減法運算（包括比較指令CMP）

（4）當(dāng)運算產(chǎn)生了借位（無符號數(shù)溢出），C=0，否則C=1

對于包含移位操作的非加/減運算指令，C為移出值的最后一位。對于其他的非加/減運算指令，C的值通常不變。

4）V（Overflow）：有2種方法設(shè)置V的值：

（1）對于加/減法運算指令，當(dāng)操作數(shù)和運算結(jié)果為二進(jìn)制的補(bǔ)碼表示的帶符號數(shù)時，V=1表示符號位溢出。

（2）對于其他的非加減法運算指令，V的值通常不變。

5）I（Interrupt Request）：I=1表示禁止響應(yīng)irq，I=0表示允許響應(yīng)

6）F（Fast Interrupt Request）：F=1表示禁止響應(yīng)fiq，F(xiàn)=0表示允許響應(yīng)

7）T（Thumb）：T=0表示當(dāng)前狀態(tài)位ARM狀態(tài)，T=1表示為Thumb狀態(tài)

8）M4-M0：表示當(dāng)前處理器的工作模式，如圖：

7. 工作模式的切換

（1）執(zhí)行軟中斷（SWI）或復(fù)位命令（Reset）指令。如果在用戶模式下執(zhí)行SWI指令，CPU就進(jìn)入管理（Supervisor）模式。當(dāng)然，在其他模式下執(zhí)行SWI，也會進(jìn)入該模式，不過一般操作系統(tǒng)不會這么做，因為除了用戶模式屬于非特權(quán)模式，其他模式都屬于特權(quán)模式。執(zhí)行SWI指令一般是為了訪問系統(tǒng)資源，而在特權(quán)模式下可以訪問所有的系統(tǒng)資源。SWI指令一般用來為操作系統(tǒng)提供API接口。

（2）有外部中斷發(fā)生。如果發(fā)生了外部中斷，CPU就會進(jìn)入IRQ或FIQ模式。

（3）CPU執(zhí)行過程中產(chǎn)生異常。最典型的異常是由于MMU保護(hù)所引起的內(nèi)存訪問異常，此時CPU會切換到Abort模式。如果是無效指令，則會進(jìn)入Undefined模式。

（4）有一種模式是CPU無法自動進(jìn)入的，這種模式就是System模式，要進(jìn)入System模式必須由程序員編寫指令來實現(xiàn)。要進(jìn)入System模式只需改變CPSR的模式位為System模式對應(yīng)的模式位即可。進(jìn)入System模式一般是為了利用System模式和用戶模式下的寄存器相同的特點，因此一般情況下，操作系統(tǒng)在通過SWI進(jìn)入Supervisor模式后，做一些操作后，就進(jìn)入System模式。

（5）在任何特權(quán)模式下，都可以通過修改CPSR的MODE域來進(jìn)入其他模式。不過需要注意的是由于修改的CPSR是該模式下的影子CPSR，即SPSR，因此并不是實際的CPSR，所以一般的做法是修改影子CPSR，然后執(zhí)行一個MOVS指令來恢復(fù)執(zhí)行某個斷點并切換到新模式。