1、架構包含哪幾部分內容
- 寄存器
- 處理模式
- 流水線
- MMU
- 指令集
- 中斷
- FPU
- 總線架構
2、以STM32為例進行介紹
2.1 寄存器
| 寄存器 | 名稱 | 作用 |
|---|---|---|
| R0-R3 | 通用寄存器 | 用于數據傳遞、計算及函數參數傳遞；R0 也用于存儲函數返回值。 |
| R4-R12 | 通用寄存器 | 用于存儲局部變量，減少頻繁的內存訪問。 |
| R13 | 棧指針 (SP) | 指向當前棧頂，負責管理棧操作。分為主棧指針 (MSP) 和 進程棧指針 (PSP)：系統中斷處理和普通任務可以使用不同的棧。棧指針用于管理棧的操作，包括函數調用時保存現場和中斷處理時保存寄存器狀態。 |
| R14 | 鏈接寄存器 (LR) | 保存函數調用返回的地址，函數返回時恢復程序執行。 |
| R15 | 程序計數器 (PC) | 指向當前執行的指令地址，控制程序執行的流程。 |
| xPSR | 程序狀態寄存器 | 包含條件標志 (N, Z, C, V) 以及處理器狀態 (T 位用于 Thumb 指令集)。 |
| CONTROL | 控制寄存器 | 控制處理器工作模式，如棧指針選擇 (MSP/PSP) 和權限級別 (特權級/用戶級)。 |
| PRIMASK | 中斷屏蔽寄存器 | 屏蔽所有可屏蔽中斷，保證關鍵代碼段不被中斷打斷。 |
| BASEPRI | 基礎優先級寄存器 | 設置中斷優先級屏蔽閾值，低于該閾值的中斷會被屏蔽。 |
| FAULTMASK | 故障屏蔽寄存器 | 屏蔽所有異常，包括硬件故障，通常用于系統恢復或嚴重故障時。 |
分類記憶：
通用寄存器：R0-R12
R0-R3：用于數據傳遞、計算及函數參數傳遞；R0 也用于存儲函數返回值。
R4-R12：用于存儲局部變量，減少頻繁的內存訪問。
特殊功能寄存器：
R13（棧指針 SP）：指向當前棧頂，管理棧操作。
R14（鏈接寄存器 LR）：保存函數調用返回地址。
R15（程序計數器 PC）：指向當前執行的指令地址，控制程序流程。
狀態和控制寄存器：
xPSR（程序狀態寄存器）：包含條件標志和處理器狀態。
CONTROL（控制寄存器）：控制處理器工作模式。
PRIMASK、BASEPRI、FAULTMASK：用于中斷和故障管理。
2.2 處理模式
stm32默認普通程序和中斷程序都工作在特權級。
- 處理者模式
- 始終運行在特權級
- 線程模式
- 可以運行在特權級和非特權級，通過CONTROL寄存器控制。
2.3 流水線
-
概念
MCU的流水線，指的是在指令執行過程中將一條指令的不同階段拆分成多個步驟，讓這些步驟可以并行執行，從而提高指令吞吐量。 -
一個典型的 ARM 處理器指令流水線包括以下階段：
- 取指（Fetch）：從內存中獲取指令。
- 譯碼（Decode）：將指令翻譯成處理器可以理解的操作。
- 執行（Execute）：執行指令，如加法、乘法、位移等操作。
- 存儲（Memory Access）：如果需要，進行內存訪問，讀取或寫入數據。
-
ARM 處理器的流水線可以有多個階段，常見的有 3 級、5 級或 7 級流水線，甚至更深的流水線設計。
2.4 MMU
MMU定義：Arm MMU深度解讀
-
ARM 處理器中的 MMU（Memory Management Unit，內存管理單元） 用于支持虛擬內存和內存保護。
-
它通過將虛擬地址轉換為物理地址，并設置內存訪問權限，確保操作系統和應用程序的內存安全。MMU 是多任務操作系統（如 Linux）運行的關鍵。
- 虛擬內存：MMU 支持將程序的地址空間映射到物理內存中，使得不同的任務可以使用不同的虛擬地址空間。
- 內存保護：通過 MMU，操作系統可以保護內存空間，防止進程間非法訪問。
-
對于一些低端 ARM Cortex-M 系列（如 Cortex-M0），沒有內置 MMU，而是使用 MPU（Memory Protection Unit） 進行簡單的內存保護，而不支持完整的虛擬內存。
2.5 指令集
ARM 處理器的指令集架構基于 RISC 設計原則，使用精簡指令集。常見的 ARM 指令集架構有：
- ARM 指令集：用于標準 32 位指令集的 ARM 處理器，支持更復雜的運算和操作。
- Thumb 指令集：是 ARM 的一種壓縮指令集，指令長度為 16 位，旨在減少內存占用，適用于資源受限的嵌入式系統。Thumb 指令集的執行效率雖然略低，但通過減少代碼大小提高了存儲效率。
- Thumb-2 指令集：結合了 32 位 ARM 指令和 16 位 Thumb 指令，使得處理器能夠在運行時動態切換不同指令集，提供更高的性能和代碼密度。
2.6 中斷
ARM 處理器具有復雜的中斷和異常處理機制，其中NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller，嵌套向量中斷控制器） 是 Cortex-M 系列中的重要模塊，用于管理中斷。
- 中斷優先級：ARM Cortex-M 支持多級中斷優先級，可以快速響應高優先級中斷。
- 中斷嵌套：允許高優先級中斷在低優先級中斷的處理中打斷執行，實現中斷的嵌套。
在發生中斷時，處理器會自動保存必要的寄存器，并跳轉到對應的中斷服務程序 (ISR) 執行，處理完后恢復執行原程序。
中斷現場保存
2.7 FPU
在一些高性能的 ARM Cortex-M 處理器（如 Cortex-M4、Cortex-M7）中，集成了硬件浮點運算單元 (FPU)，用于加速浮點數的運算。這對于涉及大量數學計算的應用（如信號處理、圖像處理）非常有用。
- 單精度浮點運算（FPU-S）：支持 IEEE 754 標準的單精度浮點運算。
- 雙精度浮點運算（FPU-D）：更高端的處理器支持雙精度浮點運算。
2.8 總線架構
馮·諾依曼結構，也稱統一存儲結構，ARM 處理器通過各種總線架構連接外設、存儲器和其他模塊，常見的總線架構包括：
- AHB (Advanced High-performance Bus)：高性能總線，用于連接內存和高速外設。
- APB (Advanced Peripheral Bus)：低速外設總線，用于連接定時器、串口、GPIO 等外設。
- AXI (Advanced eXtensible Interface)：在高端 ARM 處理器中使用，支持高吞吐量和并發的外設訪問。
回顧
- stm32有哪些通用寄存器
- stm32有哪些特殊功能寄存器
- stm32有哪些狀態和控制寄存器
- 講一下stm32的兩種處理模式
- 為什么要用虛擬地址？為什么要用MMU？
- ARM常見的指令集架構有哪些
- 介紹一下NVIC
- 介紹一下stm32的總線架構
