ARM體系結構

編程原理

從源代碼到CPU執行過程

體系結構

馮諾依曼結結構

程序和數據放在同一內存中，彼此不分離的結構。如：Intel CPU

• 特點
  • 安全和穩定性不好
  • 處理起來簡單

哈佛結構

程序（一般放在ROM、Flash中）和數據（一般放在RAM中）分開獨立存放在不同的內存塊中，彼此完全分離的結構。如：單片機、ARM CPU

• 特點
  • 安全和穩定性高
  • 軟件處理復雜

指令集

• CISC復雜指令集
  • 設計理念：用最少的指令完成任務
  • CPU本身設計復雜，工藝復雜
  • 如：Intel CPU
• RISC精簡指令集
  • 設計理念：讓軟件完成具體的任務，CPU本身僅提供基本指令集
  • 編譯器的設計變難了
  • 如：ARM CPU

總線編址方式

• IO與內存獨立編址
  使用專用的CPU指令來訪問某種特定外設。如：Intel CPU
• IO與內存統一編址
  把外設的寄存器當做一個內存地址來讀寫。如：ARM CPU

ARM CPU 工作模式

7個基本工作模式

• 非特權模式
  • User：普通模式，大部分任務執行在這種模式
• 特權模式
  • 系統模式
    • System：使用和User模式相同寄存器集的特權模式
  • 異常模式
    • FIQ：當高優先級（fast）中斷產生時，進入這種模式
    • IRQ：當低優先級（normal）中斷產生時，進入這種模式
    • Supervisor：當復位或軟中斷指令執行時，進入這種模式
    • Abort：當存取異常時，進入這種模式
    • Undef：當執行未定義指令時，進入這種模式

寄存器

寄存器特性

• 寄存器屬于CPU外設的硬件組成部分
• CPU可以像訪問內存一樣訪問寄存器
• 寄存器設計的目的是留作外設被編程控制的“活動開關”
• 寄存器中每個bit位都有特定含義，編程時需要位操作。如STM32寄存器編程
• 單個寄存器的位寬一般和CPU的位寬一樣，以實現最佳訪問效率

寄存器分類

• 通用寄存器
  • 是CPU的組成部分，ARM CPU有37個。
• SFR（特殊功能寄存器）
  • 不在CPU中，而是存在于CPU的外設中，可通過訪問外設的SFR來編程操控這個外設。

ARM CPU的37個寄存器

• ARM 共有37個寄存器，但每種工作模式下最多只能看到18個寄存器，其他寄存器在當前模式下不可見。這種設計叫影子寄存器（banked register）
• ARM 37個寄存器，都是32位長度
  • 30個：“通用”型
  • 1個：固定用作PC
  • 1個：固定用作CPSR
  • 5個：固定用作5種異常模式下的SPSR
• CPSR程序狀態寄存器
  • CPSR中各個bit位表明了CPU的某些狀態信息
  • CPSR中的I、F位和開中斷、關中斷有關
  • CPSR的mode位決定了CPU的工作模式
• PC（Program control register）程序指針
  • 整個CPU只有一個PC，PC指向哪里，CPU就會執行哪條指令
    

ARM 異常處理方式

異常

• 正常工作之外的流程都叫異常
• 異常會打斷正在執行的工作，且異常處理完成后繼續回來執行原來的工作
• 中斷是異常的一種

異常向量表

• 所有的CPU都有異常向量表，是CPU設計時就設定好的，是硬件決定的
• 當異常發生時，CPU會自動動作（PC跳轉到異常向量處處理異常）
• 異常向量表是硬件向軟件提供的處理異常的支持

異常處理機制

• 當異常產生時，ARM core進行現場保護：
  • 拷貝CPSR到SPSR_
  • 設置適當的CPSR位：
    • 改變處理器狀態進入ARM態
    • 改變處理器模式進入相應的異常模式
    • 如果需要，設置中斷禁止位禁止中斷
  • 保存返回地址到LR_
  • 設置PC為相應的異常向量
• 返回時：
  • 從SPSR_恢復CPSR
  • 從LR_恢復PC

內存地址映射

以S5PV210為例，ARM Cortex-A8架構，32位CPU。

• 相關術語表

術語	描述
ROM（Read only Memory）	只讀存儲器
RAM（Random access Memory）	隨機訪問存儲器
IROM（Internal ROM）	內部ROM，集成到SOC內部的ROM
IRAM（Internal RAM）	內部RAM，集成到SOC內部的RAM
DRAM（Dynamic RAM）	動態RAM
SRAM（Static RAM）	靜態RAM
SFR（Special function Register）	特殊功能寄存器

內存與外存

• 內存/外存區別

術語	用途	描述
內存	用來運行程序	RAM，如DRAM、SRAM、DDR
外存	用來存儲程序和數據	ROM，如Flash（Nand、iNand、U盤、SSD）、硬盤、光盤

• 內存的區別

術語	特點
SRAM	容量小、價格高，優點是不需要軟件初始化，上電直接就能用
DRAM	容量大、價格低，缺點是上電后不能直接使用，需要軟件初始化后才能使用

• 外存的區別

術語	特點
NorFlash	容量小、價格高，優點是可以和CPU直接總線式相連，CPU上電后直接讀取。一般用作啟動介質
NandFlash	容量大、價格低，缺點是不能總線式訪問，上電時CPU不能直接讀取，需要CPU先運行初始化軟件，然后通過時序接口進行讀寫

SOC啟動過程

啟動過程

啟動過程對比

類型	描述
PC機	很小容量的BIOS（NorFlash） + 很大容量的硬盤（類似于NandFlash） + 大容量的DRAM
單片機	很小容量的NorFlash + 很小容量的SRAM
SoC	外接的大容量Nand + 外接的大容量DRAM + SOC內置的SRAM

SOC啟動步驟示例

• 第一步：CPU上電后先從內部IROM中讀取預先設置的代碼（BL0），并執行。BL0代碼，首先做一些基本初始化（CPU時鐘，關看門狗…）；然后判斷選擇啟動模式（如通過OMPin設置），并從對應的外部存儲器中去讀取第一部分啟動代碼（BL1，大小為16KB）到內部SRAM。
• 第二步：從IRAM中去運行上一步讀取來的BL1（16KB）。BL1負責初始化NandFlash，然后將BL2讀取到IRAM（剩余的80KB）。
• 第三步：從IRAM運行BL2，BL2初始化DRAM；然后將OS讀取到DRAM中，并啟動OS。啟動過程結束。