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ARM core 介紹一

時(shí)間：2016-12-14作者：華清遠(yuǎn)見

一、ARM處理器的特點(diǎn)

(1)支持的數(shù)據(jù)類型

A.字節(jié) 8bit
B.半字 16bit
C.字 nbsp;32bit

(2)采用32位精簡指令集（RISC）處理器架構(gòu)

ARM處理器可以工作在兩種狀態(tài):

A . ARM狀態(tài)

指令長度為32位，這種狀態(tài)執(zhí)行的是字對(duì)齊方式的ARM指令

B. Thumb狀態(tài)

指令長度為16位，這種狀態(tài)執(zhí)行半字對(duì)齊方式的Thumb指令

主意:這兩個(gè)狀態(tài)間的切換并不影響處理器模式和寄存器內(nèi)容

小知識(shí):RISC和CISC

指令的強(qiáng)弱是CPU的重要指標(biāo)，指令集是提高微處理器效率的有效工具之一。從現(xiàn)階段的主流體系結(jié)構(gòu)講，指令集可分為復(fù)雜指令集(CISC)和精簡指令集(RISC)兩部分。相應(yīng)的，微處理隨著微指令的復(fù)雜度也可分為CISC及RISC這兩類。

CISC是一種為了便于編程和提高記憶體訪問效率的晶片設(shè)計(jì)體系。在20世紀(jì)90年代中期之前，大多數(shù)的微處理器都采用CISC體系——包括Intel的80x86和Motorola的68K系列等。即通常所說的X86架構(gòu)就是屬于CISC體系的。RISC是為了提高處理器運(yùn)行的速度而設(shè)計(jì)的晶片體系。它的關(guān)鍵技術(shù)在于流水線操作（Pipelining）：在一個(gè)時(shí)鐘周期里完成多條指令。而超流水線以及超標(biāo)量技術(shù)已普遍在晶片設(shè)計(jì)中使用。RISC體系多用于非x86陣營高性能微處理器CPU。像ARM（Advanced RISC Machines），既可以認(rèn)為是一個(gè)公司的名字，也可以認(rèn)為是對(duì)一類微處理器的通稱，還可以認(rèn)為是一種技術(shù)的名字。而ARM體系結(jié)構(gòu)目前被公認(rèn)為是業(yè)界的32位嵌入式RISC 微處理器結(jié)構(gòu)。所有ARM處理器共享這一體系結(jié)構(gòu)。

(1)CISC

CISC復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)通過增強(qiáng)計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)功能，通過程序去執(zhí)行大量功能各異的指令，從而優(yōu)化計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能。

由于具有大量的指令，因此CISC體系的優(yōu)缺點(diǎn)也很明顯。

優(yōu)點(diǎn)：

a)具有豐富的指令系統(tǒng)，很大程度上簡化了程序設(shè)計(jì)的難度。

b)CISC中不要求指令長度統(tǒng)一，可以節(jié)省存儲(chǔ)空間。

c)CISC指令可以直接對(duì)存儲(chǔ)器操作，使得通用寄存器數(shù)目較少。

同時(shí)CISC指令系統(tǒng)也帶來很多問題：

a)由于指令系統(tǒng)龐大，尋址方式、指令格式較多，指令長度不一，增加了硬件復(fù)雜程序，設(shè)計(jì)成本較高。

b)指令操作復(fù)雜、執(zhí)行周期長、速度低，難以優(yōu)化編譯生成高效的機(jī)器語言。

c)許多指令使用頻度低，增加了系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，降低了性價(jià)比。

(2)RISC

和CISC相比，RISC的指令就要少得多，通常在幾十條左右，其基本設(shè)計(jì)思想是盡量簡化計(jì)算機(jī)的指令功能，從而降低硬件執(zhí)行指令的復(fù)雜度，因?yàn)檐浖扔布菀滋峁└蟮撵`活性和更高的智能。因此CISC的主要特點(diǎn)如下：

a) 精簡指令集：只保留了數(shù)量很少、功能簡單、能在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成的指令，如果要執(zhí)行復(fù)雜的程序功能則通過子程序而不是使用復(fù)雜指令來實(shí)現(xiàn)。

b)指令長度相同：每條指令的長度都是相同的，可以在一個(gè)單獨(dú)操作里完成。

c) 單機(jī)器周期指令：大多數(shù)的指令都可以在一個(gè)機(jī)器周期里完成，并且允許處理器在同一時(shí)間內(nèi)執(zhí)行一系列的指令。

使用RISC指令具有以下優(yōu)勢(shì)：

a) 精簡指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)適合超大規(guī)模集成電路的實(shí)現(xiàn)。由于指令條數(shù)相對(duì)較少，尋址方式簡單，指令格式規(guī)整，與CISC結(jié)構(gòu)相比，控制器的譯碼和執(zhí)行硬件相對(duì)簡單，因此芯片中用于實(shí)現(xiàn)控制器的晶體面積明顯減小。

b)在使用相同的晶片技術(shù)和相同運(yùn)行時(shí)鐘下，RISC系統(tǒng)具有更快的運(yùn)行速度。精簡的指令系統(tǒng)可以加快指令的譯碼，控制器的簡化可以縮短指令的執(zhí)行延時(shí)等，這些都可以提高程序的執(zhí)行速度。

c)可以提供直接支持高級(jí)語言的能力，簡化編譯程序的設(shè)計(jì)。指令總數(shù)的減少，縮小了編譯過程中對(duì)功能類似的機(jī)器指令的選擇范圍，減輕了對(duì)各種尋址方式進(jìn)行選擇、分析和變換的負(fù)擔(dān)，易于更換或取消指令、調(diào)整指令順序，提高程序運(yùn)行速度。

d)RISC處理器比相對(duì)應(yīng)的CISC處理器設(shè)計(jì)更簡單，所需要的時(shí)間將變得更短，并可以比CISC處理器應(yīng)用更多先進(jìn)的技術(shù)，開發(fā)更快的下一代處理器。

相應(yīng)的，RISC也存在一些缺點(diǎn)，主要有：

a) 由于指令少，因此加重了匯編程序員的負(fù)擔(dān)，增加了機(jī)器語言程序的長度，從而占用了較大的存儲(chǔ)空間。

b) 相對(duì)來說，RISC對(duì)編譯器的要求更高，因?yàn)橹噶詈唵�，RISC結(jié)構(gòu)的性能就依賴于編譯器的效率。編譯器的優(yōu)劣直接影響處理器的性能發(fā)揮。

綜合上面所述，若要再進(jìn)一步比較CISC與RISC之差異，可以由以下幾點(diǎn)來進(jìn)行分析：

1、指令的形成：CISC因指令復(fù)雜，故采微指令碼控制單元的設(shè)計(jì)，而RISC的指令90%是由硬體直接完成，只有10%的指令是由軟體以組合的方式完成，因此指令執(zhí)行時(shí)間上RISC較短，但RISC所須ROM空間相對(duì)的比較大，至于RAM使用大小應(yīng)該與程序的應(yīng)用比較有關(guān)系。

2、定址模式：CISC的需要較多的定址模式，而RISC只有少數(shù)的定址模式，因此CPU在計(jì)算記憶體有效位址時(shí)，CISC占用的周期較多。

3、指令周期：CISC指令的格式長短不一，執(zhí)行時(shí)的周期次數(shù)也不統(tǒng)一，而RISC結(jié)構(gòu)剛好相反，故適合采用管線處理架構(gòu)的設(shè)計(jì)，進(jìn)而可以達(dá)到平均一周期完成一指令的方向努力。顯然的，在設(shè)計(jì)上RISC較CISC簡單，同時(shí)因?yàn)镃ISC的執(zhí)行步驟過多，閑置的單元電路等待時(shí)間增長，不利于平行處理的設(shè)計(jì)，所以就效能而言RISC較CISC還是站了上風(fēng)，但RISC因指令精簡化后造成應(yīng)用程式碼變大，需要較大的程式記憶體空間，且存在指令種類較多等等的缺點(diǎn)。

4、大量使用寄存器

二、ARM處理器的模式與異常

ARM體系結(jié)構(gòu)主要支持7種處理器模式，分別為 : 用戶模式、快中斷模式、中斷模式、管理模式、中止模式，未定義模式和系統(tǒng)模式

(1)系統(tǒng)(sys),快中斷(fiq)、中斷(irq)、管理(svc)、中止(abt)、未定義(und)這六種模式成為特權(quán)模式

(2)快中斷(fiq)、中斷(irq)、管理(svc)、中止(abt)、未定義(und)

這五種成為異常模式

思考:為什么處理會(huì)被設(shè)計(jì)成這么多模式呢?

處理器之所以被設(shè)計(jì)出這么多模式的目的是為了能夠更好地處理各種異常。

那什么是異常呢?所謂的異常，指的就是中止了程序正常執(zhí)行的過程而不得不去完成的一些特殊工作，如芯片復(fù)位，取指失敗，指令未定義，等等。

有些同學(xué)在大學(xué)的時(shí)候，學(xué)過51單片機(jī)，知道中斷的概念。在這里中斷其實(shí)也是一種異常，這里的中斷包括外部硬件產(chǎn)生的外部中斷和由芯片內(nèi)部硬件產(chǎn)生的內(nèi)部中斷。由中斷產(chǎn)生的異常和其他異常，從處理方法的角度來看沒有任何區(qū)別，所以我們可以把這些異常統(tǒng)一起來研究。

注意:在正常情況下，一個(gè)普通程序可能會(huì)運(yùn)行在用戶模式和系統(tǒng)模式下，當(dāng)異常發(fā)生時(shí)，ARM就會(huì)自動(dòng)切換到異常模式去處理異常，處理完后，又回到用戶模式或系統(tǒng)模式下繼續(xù)之前的工作。因?yàn)槊恳环N模式都包含相應(yīng)的私有資源，因此可以保證在處理異常的時(shí)候，原理的程序環(huán)境不會(huì)被新的環(huán)境破壞，從而保證了系統(tǒng)的正常工作。注意:在正常情況下，一個(gè)普通程序可能會(huì)運(yùn)行在用戶模式和系統(tǒng)模式下，當(dāng)異常發(fā)生時(shí)，ARM就會(huì)自動(dòng)切換到異常模式去處理異常，處理完后，又回到用戶模式或系統(tǒng)模式下繼續(xù)之前的工作。因?yàn)槊恳环N模式都包含相應(yīng)的私有資源，因此可以保證在處理異常的時(shí)候，原理的程序環(huán)境不會(huì)被新的環(huán)境破壞，從而保證了系統(tǒng)的正常工作。

好了，關(guān)于ARM的異常和工作模式就介紹在這里，接下來我們來看看ARM每種模式下所擁有的寄存器。

三、ARM每種模式擁有的寄存器

前面我們講到，ARM使用的是RSIC架構(gòu)，而RSIC架構(gòu)特點(diǎn)之一就是使用大量寄存器。ARM處理器支持多模式，每種模式都有一些寄存器是公用的，有一些是私有的。

在這里可以簡單總結(jié)一下：

(1)ARM總共有37個(gè)寄存器，其中R0-R7,CPSR，R15(pc)是任何模式下都公用的的寄存器

(2)用戶模式和系統(tǒng)模式使用相同的寄存器R0-R15,CPSR

(3)每種異常模式都有自己的 SPSR,R13，R14

(4)FIQ模式除了公共R0-R7寄存器外，還有自己私有的R8-R12,其他模式?jīng)]有自己私有的R8-R12寄存器

注意:Cortex體系結(jié)構(gòu)下有40個(gè)32-Bits長的寄存器Cortex-A多出3個(gè)寄存器，Monitor 模式 r13_mon , r14_mon, spsr_mon

接下來我們一起來看看這些寄存器都有什么作用吧。

四、ARM中每個(gè)寄存器的用途

(1)R0-R12 這些寄存器我們可以隨便使用，就像我們寫C語言一樣，都需要定義變量，在ARM的世界里，這些就是已經(jīng)定義好的變量，可以直接拿來使用，每個(gè)都可以用來存放一個(gè)32bit的數(shù)哦。

(2)R13,R14這兩個(gè)寄存器就要注意了，前面我們分析過，在所有的異常模式下都有自己的私有的R13，R14,即每種異常模式在操作R13和R14,不會(huì)對(duì)其他模式下R13和R14的值產(chǎn)生影響。

R13我們又叫做sp,也就是我們常說的棧指針。大家C語言的局部變量時(shí)需要入棧的，也就是說不管在那一種模式下,如果我們想調(diào)用C語言程序，那在之前先設(shè)置好對(duì)應(yīng)模式的sp指針。

R14為鏈接寄存器（LR），在結(jié)構(gòu)上有兩個(gè)特殊功能：

(1)在每種模式下，模式自身的R14用于保存子程序返回地址；

(2)當(dāng)發(fā)生異常時(shí)，將R14對(duì)應(yīng)的異常模式設(shè)置為異常返回地址（有些異常有一個(gè)小的固定偏移量）。

(3)寄存器R15為程序計(jì)數(shù)器（PC），它指向正在取指的地址。也就說R15保存的是那一條指令的地址，CPU就會(huì)預(yù)取那一條指令。

(4)寄存器CPSR為程序狀態(tài)寄存器,它時(shí)刻記錄CPU的狀態(tài)

通過上圖我們可以知道，CPSR記錄了處理器當(dāng)前工作的模式，F(xiàn)IQ、IRQ中斷是否使能，指令帶條件執(zhí)行結(jié)果等信息。

下面我們?cè)敿?xì)來看看每一位分別代表什么意思:

A.條件代碼標(biāo)志

(N ) 運(yùn)算結(jié)果的高位反映在該標(biāo)志位。對(duì)于有符號(hào)二進(jìn)制補(bǔ)碼，結(jié)果為負(fù)數(shù)時(shí)N=1，結(jié)果為正數(shù)或零時(shí)N=0；

(Z ) 指令結(jié)果為0時(shí)Z=1（通常表示比較結(jié)果“相等”），否則Z=0；

(C ) 當(dāng)進(jìn)行加法運(yùn)算(包括CMN指令)，并且高位產(chǎn)生進(jìn)位時(shí)C=1，否則C=0。當(dāng)進(jìn)行減法運(yùn)算(包括CMP 指令)，并且高位產(chǎn)生借位時(shí) C=0，否則C=1。對(duì)于結(jié)合移位操作的非加法/減法指令，C為從高位后移出的值，其它指令C通常不變；

(V)進(jìn)行加法/減法運(yùn)算，并且發(fā)生有符號(hào)溢出時(shí)V=1，否則V=0，其它指令V通常不變。

B. 中斷禁止位包括I和F位

當(dāng)I位置位時(shí)，IRQ中斷被禁止；

當(dāng)F位置位時(shí)，F(xiàn)IQ中斷被禁止。

C.T位反映了正在操作的狀態(tài)

當(dāng)T位置位時(shí)，處理器正在Thumb狀態(tài)下運(yùn)行；

當(dāng)T位清零時(shí)，處理器正在ARM狀態(tài)下運(yùn)行。

D.模式位

模式位包括M4、M3、M2、M1和M0，這些位決定處理器的操作模式。

10000 User mode ; 10001 FIQ mode; 10011 SVC mode ; 10111

Abort mode ; 11011 Undfined mode;

11111 System mode; 10110 Monitor mode; 10010 IRQ

注意：不是所有模式位的組合都定義了有效的處理器模式，如果使用了錯(cuò)誤的設(shè)置，將引起一個(gè)無法恢復(fù)的錯(cuò)誤

(5)SPSR 程序狀態(tài)保存寄存器

每種異常都有自己的SPSR，在因?yàn)楫惓Ｊ录M(jìn)入異常時(shí)它保存CPSR的當(dāng)前值，異常退出時(shí)可通過它恢復(fù)CPSR。

五、Thumb狀態(tài)下的寄存器

ARM狀態(tài)和Thumb狀態(tài)之間寄存器的關(guān)系

Thumb狀態(tài)寄存器與ARM狀態(tài)寄存器有如下的關(guān)系：

Thumb狀態(tài)R0～R7與ARM狀態(tài)R0～R7相同；

Thumb狀態(tài)CPSR和SPSR與ARM狀態(tài)CPSR和SPSR相同；

Thumb狀態(tài)SP映射到ARM狀態(tài)R13；

Thumb狀態(tài)LR映射到ARM狀態(tài)R14；

Thumb狀態(tài)PC映射到ARM狀態(tài)PC（R15）。

注意: 在Thumb狀態(tài)中，高寄存器（R8～R15）不是標(biāo)準(zhǔn)寄存器集的一部分

六、ARM異常處理

前面我們已經(jīng)說過異常了，所謂的異�？梢岳斫鉃镃PU的正常執(zhí)行被打斷，而不得不去完成一些特殊的工作。有些同學(xué)可能感覺還是有點(diǎn)抽象，舉個(gè)例子說明一下吧：假如你正在努力的寫代碼，這個(gè)時(shí)候你肚子餓了，必須得解決呀，你就停止寫代碼，去吃飯了，吃完飯你又繼續(xù)寫代碼了，過了一會(huì)，你的瞌睡蟲來找你了，必須得睡覺呀，都三天三夜沒睡了。睡完之后，你又開始寫代碼。這里的肚子餓，瞌睡蟲就可以理解成異常情況，必須得處理，處理完后還得恢復(fù)以前的狀態(tài)。

那異常產(chǎn)生的時(shí)候，硬件上會(huì)自動(dòng)做那些事情呢?注意是硬件自動(dòng)做的哦，不需要我們介入的。

當(dāng)一種異常發(fā)生時(shí)，硬件就會(huì)自動(dòng)執(zhí)行如下動(dòng)作:

(1)將CPSR保存到相應(yīng)異常模式下的SPSR中

(2)把PC寄存器保存到相應(yīng)異常模式下的LR中

(3)將CPSR設(shè)置成相應(yīng)的異常模式

(4)設(shè)置PC寄存器的值為相應(yīng)處理程序的入口地址

可以總結(jié)如下圖:

細(xì)心的同學(xué)就會(huì)發(fā)現(xiàn)，這里的PC寄存器的值不是應(yīng)該指向正在執(zhí)行的指令嗎?為什么圖中卻指向了正在提起的指令，這里的"正在提取"又有什么含義呢?呵呵，這就涉及到流水線的問題了，關(guān)于流水線我們后面會(huì)介紹的。

這里我們還是先搞明白，異常產(chǎn)生的時(shí)候，硬件應(yīng)該將PC值設(shè)為多少呢?要想明白這個(gè)問題，還必須先知道一個(gè)概念"異常向量表"。

ARM一共有5種異常模式，按道理，每一種異常模式都應(yīng)該有一個(gè)唯一的入口地址。這些入口地址彼此相鄰，我們一般稱之為異常向量表。

當(dāng)異常產(chǎn)生的時(shí)候，硬件會(huì)自動(dòng)將PC的值設(shè)置為對(duì)應(yīng)異常量的入口地址。具體異常向量表存放在什么位置，我們可以通過相關(guān)的協(xié)處理指令進(jìn)行設(shè)置就可以了。這個(gè)我們?cè)诤笃诘恼n程中會(huì)講到。

好了到這里，我們已經(jīng)知道了，異常發(fā)生時(shí)，硬件都自動(dòng)做了哪些事情。那異常返回的時(shí)候，硬件也會(huì)自動(dòng)做一些事情嗎?呵呵，答案是沒有。異常返回的時(shí)候，程序員必須做如下事情:

異常返回

(1)從 SPSR_<mode>恢復(fù)CPSR

(2)從LR_<mode>恢復(fù)PC

這些事情產(chǎn)生的效果就是恢復(fù)現(xiàn)場哦。