2、ARM处理器概论

一、ARM处理器概述

1、ARM的含义

ARM（Advanced RISC Machines）有三种含义，一个公司的名称、一类处理器的通称、一种技术

ARM公司：

• 成立于1990年11月，前身为Acorn计算机公司
• 主要设计ARM系列RISC处理器内核
• 授权ARM内核给生产和销售半导体的合作伙伴，ARM公司并不生产芯片
• 提供基于ARM架构的开发设计技术软件工具、评估板、调试工具、应用软件总线架构、外围设备单元等

2、ARM产品系列

早先经典处理器：

• 包括ARM7、ARM9、ARM11家族

Cortex-A系列：

• 针对开放式操作系统的高性能处理器，应用于智能手机、数字电视、智能本等高端运用

Cortex-R系列：

• 针对实时系统、满足实时性的控制需求，应于汽车制动系统、动力系统等

Cortex-M系列：

• 为单片机驱动的系统提供了低成本优化方案，应用于传统的微控制器市场、智能传感器、汽车周边等

3、RISC处理器

• 只保留常用的简单指令，硬件结构简单。复杂操作一般都通过简单指令的组合实现，一般指令长度固定，且多为单周期指令
• RISC处理器在功耗、体积、价格方面有很大的优势，所以在嵌入式移动终端领域应用极为广泛

4、CISC处理器

• 不仅包含了常用指令，还包含了许多不常用的特殊指令，硬件结构复杂、指令条数较多，一般指令长度和周期都不固定
• CISC处理器在性能上有很大优势，多用于PC及服务器等领域

5、SOC（System on Chip）

• 即片上系统，将一个系统中需要的全部部件集成在一个芯片中，在体积、功耗、价格上有很大的优势

二、ARM指令集概述

1、指令集

• 指令：
  • 能够指示处理器执行某种运算的命令称为指令（加、减、乘…）
  • 指令在内存中以机器码（二进制）的方式存在
  • 每一条指令都对应一条汇编
  • 程序是指令的有序集合
• 指令集：
  • 处理器能够识别的指令的集合称为指令集
  • 不同架构的处理器的指令集不同
  • 指令集是处理器对开发者提供的接口
    

2、ARM指令集

大多数ARM都支持两种指令集
ARM指令集：

• 所有的指令（机器码）都占用32bit的存储空间
• 代码灵活度高，简化了解码的复杂度
• 执行ARM指令集时，PC值每次自增4

Thumb指令集：

• 所有指令（机器码）都占用16bit存储空间
• 代码密度高、节省存储空间
• 执行Thumb指令集时，PC值每次自增2

3、编译原理

• 1、机器码（二进制）是处理器能够直接识别的语言，不同的机器码代表不同的运算指令，处理器能够识别哪些机器码是由处理器的硬件设计所决定的，不同的处理器机器码不同，所以机器码不可移植

• 2、汇编语言是机器码的符号化，即汇编就是用一个符号来代替一条机器码，所以不同的处理器汇编也不一样，即汇编语言不可移植

• 3、C语言在汇编时我们可以使用不同的编译器将C源码编译成不同的架构处理的汇编，所以C语言可以移植

三、ARM存储类型

1、ARM数据类型

ARM采用32位架构，基本数据类型有一下三种：

• Byte：8bit
• HalfWord：16bit
• Word：32bit

数据存储：

• Word型数据在内存的起始地址必须是4的整数倍
• Half Word型数据在内存的起始地址必须是2的整数倍

注：即数据本身是多少位在内存存储时就应该多少位对齐

2、字节序

大端对齐

• 低地址存放高位，高地址存放低位
• 如：a = 0x12345678
  
  小端对齐
• 低地址存放低位，高地址存放高位
• 如：a = 0x12345678
  
  注：ARM一般使用小端对齐

3、ARM指令存储

处理器处于ARM状态时

• 所有的指令在内存的起始地址必须是4的整数倍
• PC值由其[31:2]决定，[1:0]位未定义

处理器处于Thumb状态时

• 所有指令在内存的起始地址必须是2的整数倍
• PC值由其[31:1]决定，[0]位未定义

注：即指令本身是多少位在内存存储时，就应该多少位对齐

四、ARM工作模式

1、ARM有八个基本的工作方式模式

• User：非特权模式，一般在执行上层的应用程序时ARM处于该模式
• FIQ： 当一个高优先级中断产生后ARM将进入这种模式
• IRQ：当一个低优先级中断产生后ARM将进入这种模式
• SVC：当复位或执行软中断指令后ARM将进入这种模式
• Abort：当产生存取异常时ARM将进入这种模式
• Undef：当执行未定义的指令时ARM将进去这种模式
• System：使用和User模式相同的寄存器集的特权模式
• Moniter：为了安全而扩展出的用于执行安全监控代码的模式

2、不同模式的理解

• 不同的模式拥有不同的权限
• 不同模式执行不同代码
• 不同模式完成不同功能

3、模式的分类

按照权限分：

• User为非特权模式（权限较低），其余模式均为特权模式（权限较高）

按照状态分：

• FIQ、IRQ、SVC、Abort、Undef属于异常模式，即当处理器遇到异常的时候会进入对应的模式