ARM体系结构

作者: Eugene_iOS | 来源:发表于2023-04-03 17:34 被阅读0次

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1、ARM含义

第一：ARM是个公司，它不生产CUP，只做CPU架构设计。
第二：ARM架构，就是通常说的Cortex-A、Cortex-R、Cortex-M等CPU架构。

2、裸机编程

一般是指操作系统运行之前的一段代码，可以是汇编语言实现，也可以是C语言代码实现；bootloader是一个裸机程序，在Ubuntu上运行的程序不是裸机程序，因为Ubuntu是一个操作系统，在Ubuntu上运行的程序是依赖操作系统才能运行的。

3、ARM内核的发展

ARM产品在指令架构集ARMv4、ARMv7、ARMv8等。

在ARMv7之前所对应的CUP核心名称是ARM7、ARM8、ARM9这种命名方式。

在ARMv7的时候，对CPU核心名称进行了调整，改用Cortex-A、Cortex-R、Cortex-M进行命名；A系列主要运行操作系统，性能较好；M系列相较于A系列没有A系列性能那么高，通常用于单片机开发；R系列主要用于实时控制系统方面。
ARMv8系列支持了64bit的指令集。

处理器架构：体系结构定义指令集和基于这一体系结构下处理器的编程模型（基本数据类型、工作模型、寄存器组）。基于同种体系结构可以有多种处理器、每个处理器的性能不同，面向的应用领域也不同。

ARM处理器家族

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，服务器等高端运用。
Cortex-R系列
针对实时系统、满足实时性、高可靠性控制需求；应于汽车制动系统，动力系统，移动通信基带控制器等。
Cortex-M系列
为单片机驱动的系统提供的低成本优化方案；应用于传统的微控制器市场，智能传感器，汽车周边部件等。

指令集、CPU核心、CPU、SoC的区别

指令集：处理器能够识别并执行的指令集合；每一条指令可处理一个简单或复杂操作(加、加乘…)；每一条指令对应一条或几条汇编指令。通常ARMv7指令、ARMv8指令等这些指令集的架构，这部分定义了整体的架构，例如定义了ARM的工作模式、中断处理方式。

CPU核心：是指令集的具体实现，例如Cortex-A7就是根据ARMv7指令集来实现的CPU核心，而STM32MP157则是意法半导体公司根据Cortex-A7的CPU核心设计出来的一款SoC。

SoC（System on Chip）：指的是在单个芯片上集成一个完整的计算机系统，所谓完整的系统一般包括中央处理器(CPU)、存储器、以及外围电路等。也就是说一个芯片内部除了有CPU之外，还集成了很多控制单元，例如LED、UART控制器单元等。

指令集常见分类

复杂指令集(CISC)：包含处理复杂操作的特定指令，指令长度不固定执行需要多个周期。
精简指令集(RISC)：指令简单而有效，格式和长度通常是固定的，大多数指令在一个周期内可以执行完毕，ARM的内核是基于RISC体系结构的。

Cortex-M家族简介

Cortex-M系列产品主要包括Cortex-M0、Cortex-M1、Cortex-M3、Cortex-M4、Cortex-M7等。

Cortex-M0：主打低功耗和混合信号的处理；
Cortex-M1：应用于FPGA的应用控制领域；
Cortex-M3和Cortex-M4：主要用来替代ARM7,重点侧重能耗与性能的平衡；
Cortex-M7：则重点放在高性能控制运算领域；

Cortex-M4特性和体系结构

ARM Cortex-M4处理器内核是在Cortex-M3内核基础上发展起来的，其性能比Cortex-M3提高了20%。新增加了浮点、DSP、并行计算等。

RISC处理器内核：高性能32位CPU；Thumb-2指令集，高效、高代码密度，高性能，使用ARMv7-M的体系架构支持DSP和SIMD; 中断数量可配置(1~240个)，低中断切换时延，提供不可屏蔽中断(NM)输入保障高可靠性系统；

低功耗模式：集成的睡眠状态支持、多电源域、基于架构的软件控制；

支持多种嵌入式操作系统，也被多种开发组件支持，包括MDK(ARM Keil微控制器开发套件)、RVDS(ARM RealView开发组件）、IARC编译器等。

体系结构

Cortex-M微处理器主要包括处理器内核、嵌套向量中断控制器(NVIC)、调试子系统、内部总线系统构成。
Cortex-M微处理器通过精简的高性能总线(AHB-LITE)与外部存储器及外设进行通信。

工作模式

Cortex-M4有两种工作模式和两种工作状态
处理模式(Handler Mode)
当处理器发生了异常或者中断，则进入处理模式进行处理、处理完成后返回线程模式。在该模式下处理器具有特权访问等级，可以访问处理器中的所有资源。
线程模式(Thread Mode)
芯片复位后，即进入线程模式，执行普通用户程序；可以处于特权或非特权模式，访问等级由CONTROL寄存器控制切换。
Thumb状态
正常运行时处理器的状态。
调试状态
调试程序时处理器的状态，调试器可以访问或修改处理器中寄存器的值。

寄存器组-通用寄存器

Cortex-M4处理器内核有13个通用寄存器以及多个特殊寄存器，具体介绍如下：
1、R0-R12: 通用寄存器。其中R0-R7为低端寄存器，可作为16位或32位指令操作数，R8-R12为高端寄存器，只能用作32位操作数。
2、R13: 堆栈指针SP, Cortex-M4在物理位置上存在两个栈指针，主栈指针MSP, 进程栈指针PSP。在处理模式下，只能使用主堆栈，在线程模式下，可以使用主堆栈也可以使用进程堆栈，这主要是由CONTROL寄存器控制完成。系统上电的默认栈指针是MSP。
3、R14: 连接寄存器(LR), 用于存储子程序或者函数调用的返回地址。
4、R15: 程序计数器(PC), 存储下一条将要执行的指令的地址。

寄存器组-特殊寄存器

PSR：组合程序状态寄存器，该寄存器由三个程序状态寄存器组成。
1、应用PSR(APSR)：包含前一条指令执行后的条件标志；
2、中断PSR(IPSR)：包含当前SR的异常编号；
3、执行PSR(EPSR)：包含Thumb状态位；
PRIMSK:中断屏蔽特殊寄存器。
CONTROL:控制寄存器。
1、[PRIV]:为0, 处理器处于线程模式的特权级，为1为非特权级；
2、[SPSEL]:为0时，线程模式使用MSP, 为1时使用PSP；
注意：处理器模式时，固定使用MSP。