【嵌入式开发——ARM】1ARM架构

嵌入式领域，使用ARM架构的芯片公司可不占少数吧，intel的x86架构主要占据PC、服务器市场，ARM架构主要占据移动市场。x86架构和ARM架构不同的主要原因，是背后使用的计算机指令集不同。计算机有自己的语言系统（汇编，进一步地mov等指令也得翻译成相应二进制码），众多指令的集合称为指令集架构（Instruction Set Architecture, ISA），计算机发展历史终，指令集形成两种风格，即：复杂指令集计算机（CISC，Complex Instruction Set Computer），精简指令集计算机（RISC，Reduced Instruction Set Computer），ARM架构就是使用RSIC（这里插一句，使用不同指令集，CPU就设计成不同架构吗，还真是，一定程度上可以说软件/指令集决定硬件架构，RSIC能流行起来一个原因就是因为按照RSIC指令集能降低硬件设计成本）

1 架构

1.1 架构种类

有些人将“指令集体系结构”称为架构，于是有ARMv8架构，ARMv7-A架构等等，这些都是ARM设计的一些RISC指令集。
所谓指令集体系结构，就是ARM公司推出的一整套精简指令，它是计算机最底层的命令，如APP从内存读取数据，最终就是通过调用ARM设计的指令实现内存存取。

为了清楚表达ARM应用实例所使用的指令集，ARM公司定义了几种重要的ARM指令集架构版本，以版本号v1-v8表示。
ARM采用IP授权的商业模式，收取一次性技术授权费用和版税提成，有三种授权模式：使用层级授权模式，内核层级授权模式，架构层级使用模式。

ARMv7架构开始，命名方式有所改变，分为三个系列：Cortex-A，Cortex-R，Cortex-M；
Cortex-A：针对高性能计算。如现在手机常出现Cortex-A76等；
Cortex-R：针对实时操作处理，主要是面向嵌入式实时处理器。在汽车电子制动系统，工控等领域常见；
Cortex-M：专为低功耗，低成本系统设计。目前火热的IoT领域常用该系列。

1.2 ARM微处理器特点

1、ARM指令都是32位定长的；
2、寄存器数量丰富（37个）；
3、普通的Load/Store指令；
4、多寄存器的Load/Store指令；
5、指令的条件执行；
6、单个时钟周期中的单条指令完成数据移位操作和ALU操作；
7、通过变种和协处理器来扩展ARM处理器功能；
8、扩展了16位的Thumb指令来提高代码密度；

1.3 ARM状态和Thumb状态

1.3.1 状态简介

ARM状态：ARM处理器工作于32位指令的状态，所有指令都是32位。
Thumb状态：ARM处理器执行16位指令的状态。
Thumb-2状态：这是ARM7版本处理器所具有的的状态，thumb-2内核技术兼有16位及32位指令，实现了更高的性能，更有效的功耗及更少地占用内存。

1.3.2 ARM状态和Thumb状态的切换

（1）由ARM状态切换到Thumb状态
寄存器最低位置为1
BX指令：R0[0]=1，则执行BX R0指令将进入Thumb状态
（2）由Thumb状态切换到ARM状态
寄存器最低位设置为0
BX指令：R0[0]=0，则执行BX R0将进入ARM状态

当处理器进行异常处理时，则从异常向量地址开始执行，自动进入ARM状态。
注意：
ARM处理器复位后开始执行时总是处于ARM状态；
Cortex-M3只有Thumb-2状态和调试状态；
由于Thumb-2具有16/32位指令功能，因此有Thumb-2就无需Thumb了；此外，具有Thumb-2技术的ARM处理器也无需在ARM状态和thumb状态之间切换了，因为thumb-2具有32位和16位指令功能。

1.3.3 为什么需要Thumb状态模式？

ARM体系结构除了支持执行效率很高的32位ARM指令集外，为了兼容总线宽度为16位的应用系统，所以也支持16位的Thumb指令集。Thumb指令集是ARM指令系统的一个子集，允许指令编码长度为16位。Thumb指令集大大节省了存储空间。

2 编程模型

2.1 ARM数据类型

在ARM体系结构中，字（Word）的长度为32位，半字（Half-Word）长度为16位，字节（字节）长度为8位。

2.2 ARM处理器的工作状态

1、ARM状态，处理器执行32位的字对齐ARM指令，绝大部分工作在此状态；
2、Thumb状态，处理器执行16位的半字对齐Thumb指令。

2.3 ARM处理器工作模式

1、用户模式（usr，User Mode）：ARM处理器正常执行程序；
2、快速中断模式（fiq，Fast Interrupt Request Mode）：用于高速数据传输或通道处理，当触发快速中断时进入此模式；
3、外部中断模式（irq，Interrupt Request Mode）：用于通常中断处理，当触发外部中断时进入此模式；
4、管理模式（svc，Supervisor Mode）：操作系统使用的保护模式，在系统复位或执行软中断时进入此模式；
5、数据访问中止模式（abt，Abort Mode）：数据或指令预取中止时进入此模式，可用于虚拟存储及存储保护；
6、系统模式（sys，System Mode）：运行具有特权的操作系统任务；
7、未定义指令中止模式（und，Undefined Mode）：未定义的指令执行时进入该模式，可用于支持硬件协处理器的软件仿真；
除用户模式外，其余六种都是特权模式。除用户模式和系统模式外，其余五种都是异常模式。在特权模式下可以访问所有系统资源。

2.4 ARM处理器寄存器组织

ARM处理器有37个32位寄存器，其中31个是通用寄存器，6个状态寄存器。

在所有寄存器中，有些是各模式共用同一个物理寄存器，有些是各模式自己独立拥有的物理寄存器。

r0-r3主要用于子程序间传递参数；
r4-r11用于保存局部变量，但在Thumb状态下，通常只能使用r4-r7保存局部变量；
r12是子程序间的scratch寄存器，即ip寄存器；
r13通常用于栈指针，即sp；
r14是连接寄存器（lr），用于保存子程序和中断返回地址；
r15即程序计数器（pc），ARM采用流水线机制，该寄存器存储下一条指令地址。

不分组寄存器（r0-r7）
在所有运行模式下，都是同一个物理寄存器，系统未把它们用做特殊用途。

分组寄存器（r8-r14）
FIQ模式下，使用r8_fiq-r12fiq，其他模式下还是使用r8-r12；
对于r13,r14，每个寄存器对应6个不同的物理寄存器，系统模式和用户模式使用r13,r14，其他模式都有自己独立的物理寄存器；

SPSR
（Saved program status register备份的程序状态寄存器），除usr，sys外，用于保存CPSR的备份，异常时，保存CPSR值，异常退出时，将该值恢复到CPSR。五种异常模式都有各自的物理寄存器。
CPSR
（Current program status register当前程序状态寄存器），可以在任何模式下被访问，包括条件标志位，中断禁止位。
N：两整数运算时，1表示结果为负数，0表示结果为0或正数；
Z：1表示结果为0。对于CMP指令，1表示两数相等。
C，V代表溢出。
I：1表示禁止外部硬件中断（irq）；
F：1表示禁止快速中断（fiq）；
T：1表示Thumb状态，0表示ARM状态，默认都是ARM状态；
M[4:0]，用来设置处理器的工作模式。

3 其他知识

当年知道ARM这么收钱的时候，有点纳闷又有点无语，包括现在，也对版权这个东西感到不可思议，还能这样收费。它不用造个成品出来，就是一套知识点，而且最麻烦的是能一直收费，不是像买个东西比如手机，一次交完就行了。即便是买手机，我下次买，那你厂商也得再造个新手机出来，和之前的手机是俩东西了，而这套知识点第一次买长这样，下次买还长这样，，，但就是能一直收费。顺便在吐槽一句，也不知道啥时候我们国家比如听歌啥的，也开始版权收费了，一次又一次的交，不要说这是贴近西方，西方也不是文明的代名词，也不是绝对权威，我一直感觉这基本就是西方搞得一种无赖收费方式；你但凡是那种花了一次钱买了就行了也不会说啥，毕竟给予知识创造者回馈是正常的，但这种一劳永逸的在我感觉就是很奇葩；而且这样能收费的话，我真替中西方古往今来各个领域研究出东西的先贤感到不值，毕竟我们现在生活用的的所有，包括衣食住行，琴棋书画，数理医艺等，肯定都是在先贤研究的基础上发展得到的，他们的版权费呢？找谁要？要不要给他们后代？我是理工科的，有点对资本这方面嗤之以鼻（尤其是前几年看到新闻ARM公司被其股东卖来卖去时候感到痛心，一个叱咤风云的技术公司被所谓股东说卖就卖，无语到令人想笑），很多东西和钱/利益挂钩后，就很难纯粹了，真切感觉每个人，或者说整个人类在近现代被金钱控制的有点离谱了，所有的道义等品质都被金钱破坏了，感觉都在像金钱看齐，这样下去的话，即便人类科技在进步，也会是生活在冰冷麻木的社会中。不好意思，有点愤青了，扯得有点远，大家就当看个热闹。