嵌入式Linux ARM汇编（一）——ARM体系结构

一、ARM简介

        ARM是全球领先的半导体知识产权 (IP) 提供商Advanced RISC Machine，是专门从事基于RISC 技术芯片设计开发的公司，ARM 的商业模式主要涉及 IP 的设计和许可，而非生产和销售实际的半导体芯片。作为知识产权供应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片，世界各大半导体生产商从ARM公司购买其设计的ARM 微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的ARM 微处理器芯片进入市场。在全世界有几十家大的半导体公司都使用ARM 公司的授权，因此既使得ARM 技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整个系统成本降低，使产品更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力。

    ARM设计了大量高性价比、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件，技术具有性能高、成本低和能耗省的特点，智能机、平板电脑、嵌入控制、多媒体数字等处理器领域拥有主导地位。全世界超过95%的智能手机和平板电脑都采用ARM架构 。2014年基于ARM技术的全年全球出货量是120亿颗，从诞生到现在为止基于ARM技术的芯片有600亿颗。

 

ARM体系结构的基本版本：

版本

版本变种

系列号

处理器核

V1

V1

ARM1

ARM1

V2

V2

ARM2

ARM2

V2a

ARM2aS

ARM3

ARM3

V3

V3

ARM6

ARM6、ARM600、ARM610

ARM7

ARM7、ARM700、ARM710

V4

V4T

ARM7TDMI、ARM710T、ARM720T、ARM740T

V4T

ARM9

ARM9TDMI、ARM920T、ARM940T

V5

V5TE

ARM9E-S

V6

V6

ARM11

ARM11、ARM11562-S、ARM1156T2F-S、ARM11JZF-S

V7

V7

ARM Cotex

ARM Cotex-A8、ARM Cotex-R4、ARM Cotex-M3

 

   

二、计算机体系结构

1、 冯.诺依曼体系结构

 

 

冯.诺依曼体系结构的特点：

A、处理器使用同一个存储器，经由同一个总线传输

B、完成一条指令需要3个步骤：即取指令->指令译码->执行指令

C、指令和数据共享同一总线的结构

 

2、哈佛体系结构

 

哈佛体系结构的特点：

A、将程序指令存储和数据存储分开

    B、中央处理器首先到程序指令存储器中读取程序指令。解码后到数据地址，再到相应的数据存储器读取数据，然后执行指令

    C、程序指令存储与数据存储分开，可以使指令和数据有不同的数据宽度。

ARM7采用冯.诺依曼体系结构，ARM9采用哈佛体系结构

 

三、复杂指令集与精简指令集

1、 CISC 复杂指令集

        CISC 复杂指令集：采用冯.诺依曼体系结构，数据线和指令线分时复用。存储器操作指令多，汇编程序相对简单，指令结束后响应中断 ，CPU电路设计复杂，面积大，功耗大。

2、RISC 精简指令集

        RISC 精简指令集：采用哈佛体系结构。数据线和指令线分离。对存储器操作有限，汇编程序占空间大，在适当地方响应中断， CPU电路较少，体积小功耗低。ARM采用RISC精简指令集 。

四、ARM处理器模式

    为了和操作系统更好地适配，ARM Cortex A-8处理器有九种工作模式。

 

    ARMV7体系结构支持的9种处理器模式分别为：用户模式、快中断模式、中断模式、管理模式、中止模式、未定义模式和系统模式，监视模式，软中断模式。

1、ARM的指令集

     ARM有三种指令集：ARM、Thumb、Thumb32。Thumb是ARM体系结构中一种16位的指令集。从ARMv4T之后的ARM处理器有一种16-bit指令模式，叫做Thumb，较短的指令码提供整体更佳的编码密度，更有效地使用有限的内存带宽。所有 ARM9 和后来的家族，包括 XScale 都纳入了 Thumb 技术。Thumb32兼容16位和32位指令。ARM为32位指令。

在不牺牲性能的同时，尽量简化处理器。同时从体系结构上灵活支持处理器扩展。采用RISC结构。RISC处理器简化了处理器结构，减少复杂功能指令的同时，提高了处理器速度。

2、ARM的流水线结构

    ARM处理器使用流水线来增加处理器指令流的速度，这样可以使几个操作同时进行。并使处理和存储器系统连续操作。

   arm处理器分为三级：取指->译码->执行

      取指：指令从存储器中取出

      译码：对指令使用的寄存器进行译码

      执行：从寄存器组中读取寄存器，执行移位和ALU操作，寄存器被写回到寄存器组中

3、ARM处理器支持的类型

      字节  8位

      半字  16位

      字    32位

      ARM处理器的所有数据操作都以字为单位，ARM指令的长度刚好是一个字，Thumb指令长度刚好是半个字。

4、ARM处理器状态

      ARM处理器内核使用ARM结构，该结构包含32位的ARM指令集和16位Thumb指令集，因此ARM有两种操作状态

      ARM状态：32位

      Thumb状态：16位

5、ARM处理器的寄存器

        寄存器是中央处理器内的组成部份。寄存器是有限存贮容量的高速存贮部件，用来暂存指令、数据和位址。在中央处理器的控制部件中，包含的寄存器有指令寄存器(IR)和程序计数器(PC)，在中央处理器的算术及逻辑部件中，包含的寄存器有累加器(ACC)。

    IR 用于存储指令

    PC 用于存储程序运行的地址（即当前指令在内存中的位置）

    寄存器是由一个指令的输出或输入可以直接索引到的暂存器群组。所有的计算机指令都是进入寄存器后被直接读取。

ARM的汇编编程，本质上就是针对CPU寄存器的编程。

ARM寄存器分为2类：普通寄存器和状态寄存器

ARM A-8处理器各工作模式下的寄存器：

    ARM A-8处理器共有43个寄存器。普通寄存器34个，状态寄存器9个。USR/SYS共用一组寄存器。

        R13(SP)    栈指针寄存器用于存放堆栈的栈顶地址。

        SP相当于指针变量，保存的是栈顶的地址，出栈时，从SP指向的内存中取出数据，入栈时将新的内存地址压入栈顶，而SP相当于链表的头指针(head)。

        R14(LR)    链接寄存器存放子程序的返回地址。

例如：在主函数内，如果调用子函数，程序会进入到子函数内执行。当子函数执行完毕后，需要回到主函数内，所以在子函数调用前需要将这个地址先保存起来，否则无法找到这个地址。LR用于保存这个地址，这个地址也称为子程序返回地址。当子函数结束后，再将LR内的地址赋给PC即可。

         R15(PC) 程序计数器 它的值是当前正在执行的指令在内存中的位置。

        当指令执行结束后，CPU会自动将PC值加上一个单位，PC值指向下一条即将执行的指令的地址。如果通过汇编指令对PC寄存器赋值，就会完成一次程序的跳转（如从子函数跳转回主函数内）。

        寄存器R16用作CPSR(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。每一种运行模式下又都有一个专用的物理状态寄存器，称为SPSR（备份的程序状态寄存器），异常发生时，SPSR用于保存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，他们没有SPSR，当在这两种模式下访问SPSR，结果是未知的。

程序状态寄存器CPSR：

 

各bit代表的意义如下：

M[4:0]：处理器模式

T bit：是否支持Thumb指令

F bit：是否禁止FIQ

I bit：是否禁止IRQ

A bit：是否禁止异步中止

E bit：存储顺序

IT bit：是否在支持Thumb-2指令集中的if...then条件执行

GE bit：用于某些SIMD指令

J bit：是否支持Jazelle

Q bit：是否运算溢出

V bit：ALU是否溢出

C bit：ALU是否进位

Z bit：ALU结果是否为0

N bit：ALU结果是否为负

 

M0至M4表示处理器工作模式（控制位内的模式位）

0b10000      User        用户模式

0b10001      FIQ         快速中断模式

0b10010      IRQ         外部设备产生的中断模式

0b10011      Supervisor  管理模式

0b10111      Abort       异常模式

0b11011      Undefined   未定义模式

0b11111      System      系统模式

6、SoC的特殊功能寄存器

    SoC中的寄存器包括ARM CPU处理器内的寄存器和特殊功能寄存器，特殊功能寄存器不在CPU中，而是存在于CPU的外设中，通过访问外设的SFR来编程控制外设是硬件编程控制的方法。

7、S5PV210的内存映射

        以下三张图为S5PV210的内存映射图

IRAM和IROM:

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