ARM處理器體系結(jié)構(gòu)簡要總結(jié)

搞arm兩個月了，有點收獲，就談它了。本文主要介紹ARM7系列處理器。呵呵，不是相關(guān)專業(yè)可能有很多人不知道arm是個什么東西吧，我現(xiàn)在簡要介紹一下各種處理器分類，目前我們的處理器陣營中分為CISC和RISC兩大系列，CISC是復(fù)雜指令集處理器，這種處理器每條指令可以執(zhí)行比較多的復(fù)雜操作，而且指令長度不定，我知道的有X86處理器是CISC處理器，目前intel和amd出的處理器主要都是x86處理器，intel的x86從8086開始到80186，283，386，486，Pemtium，pentium pro,pentium 2,pentium 3,pentium 4,扣肉2，四核志強(qiáng)等，還有賽揚，pentium M，pentium D等很多變種，有些提供高的性價比，有的專用于移動領(lǐng)域或低功耗領(lǐng)域。Amd的x86有毒龍，速龍，酷龍等。從8086到386是一次飛躍，實現(xiàn)了保護(hù)模式和虛86模式，以此為基礎(chǔ)才有后來的Window3.1，386到Pentium是一次飛躍，硬件上從硬連邏輯轉(zhuǎn)換到微指令實現(xiàn)，pentium 到扣肉又是一次較大的飛躍，從一個處理器核到兩個，為多任務(wù)提供了充分的支持。RISC處理器種類比較多，指令長度固定，執(zhí)行周期固定,從微控制器、mips、arm、alpha、powerpc、sun sparc等。微控制器子類又很多，目前很多較小的嵌入式控制場合都用得是微控制器，比如sim卡，一卡通，電子表等，有單片機(jī)、pic、lpc等。mips是mips公司研究出的一套體系結(jié)構(gòu)，目前龍芯，聚芯都是基于mips，個人認(rèn)為10年內(nèi)會銷聲匿跡。alpha不了解，很少用到。powerpc是ibm，hp等公司合力出的一套，挺復(fù)雜，結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，但推廣不好，sparc只在sun得到大力支持。arm是目前應(yīng)用最廣泛的一套指令系統(tǒng)，支持多任務(wù)，只要是超出單片機(jī)能力、x86又太浪費的場合大部分都用arm。90%的智能手機(jī)都是arm處理器。

　　arm處理器有7個處理器模式（x86有3個），用戶模式、管理模式、未定義模式、中止模式、特權(quán)模式、irq模式，fiq模式。

　　用戶模式和管理模式：共用r0-r14個通用寄存器，pc寄存器，共用一個cpsr。

　　未定義模式、中止模式、特權(quán)模式、irq模式：共享用戶模式和管理模式的r0-r12，各自專用的r13-r14,注意和用戶模式的r13-r14不同，pc寄存器，各自專用的cpsr和spsr。

　　fiq模式:共享用戶模式和管理模式的r0-r7,專用的r8-r14，pc寄存器，各自專用的cpsr和spsr。

　　注意pc寄存器是所有模式共享一個。

　　編程時如果c和匯編共存要遵守atpcs標(biāo)準(zhǔn)，簡單的說這個標(biāo)準(zhǔn)要求函數(shù)調(diào)用時r0-r3傳遞參數(shù)，如果參數(shù)多于四個通過堆棧傳遞，從右往左壓參。如果有返回值用r0表示。

　　用戶模式相當(dāng)于x86中的第三特權(quán)級,用于執(zhí)行普通任務(wù),不可以執(zhí)行特權(quán)操作,不能切換模式等,

　　未定義模式用于執(zhí)行一條未定義指令時觸發(fā),可通過軟件模擬執(zhí)行,用于模擬浮點或dsp等.

　　中止模式用于取指出錯或訪存出錯,內(nèi)在原因可能是需要調(diào)頁,或訪問了非法區(qū)域.

　　特權(quán)模式在reset后自動進(jìn)入,通過swi軟指令中斷也可進(jìn)入.[!--empirenews.page--]

　　irq用于普通中斷處理,速度慢,進(jìn)irq后默認(rèn)關(guān)普通中斷,但開fiq.fiq用于快速中斷處理,有專用的r8-r14寄存器,一般不需要保存現(xiàn)場,進(jìn)fiq后所有中斷標(biāo)記都關(guān)掉.

　　除用戶模式外其他模式都有特權(quán),可以為所欲為.

　　r13默認(rèn)用來作為堆棧寄存器,r14用于保存返回地址.

　　用戶模式和管理模式只有cpsr，沒有spsr。cpsr是當(dāng)前狀態(tài)寄存器,內(nèi)含算數(shù)運行標(biāo)記位,irq和fiq標(biāo)記,模式位,保留位。spsr是cpsr的備份。

　　arm處理器支持arm指令集和thumb指令集，arm指令集是32位，thumb指令集是16位，具有arm指令集的子集功能，實現(xiàn)同樣的功能用thumb指令集所需空間較小，但執(zhí)行時間有可能變長。arm代碼向thumb代碼跳轉(zhuǎn)通過BX指令完成。BX指令通過判斷數(shù)據(jù)項的最后一位來確定是否轉(zhuǎn)入thumb或arm模式，跳轉(zhuǎn)后會設(shè)置cpsr中的模式位。

　　這里我不打算描述arm或thumb指令集，因為那需要太大的篇幅，但arm和x86相比有一些很大的特殊之處就是它的堆?？梢韵蛏匣蛳蛳略鲩L，而且存數(shù)與累加誰在先都可，這樣就有四種堆棧方式；另外每條arm指令都帶有執(zhí)行條件，像溢出，進(jìn)位等，只有在滿足特定條件下指令才會得到執(zhí)行；當(dāng)然arm指令集不存在像x86指令集那樣的向下兼容性，386支持16位實模式，兼容8086，但32位arm卻沒法識別16位arm指令集。

　　這是我對arm處理器內(nèi)部的一些了解。

　　下面談?wù)刾hilips公司出的一款lpc2214處理器，內(nèi)含arm7tdmi-s處理器核，支持jtag調(diào)試和跟蹤。lpc2214一共有三條內(nèi)部總線，一條是內(nèi)部局部總線，用來連接內(nèi)部ram和rom，rom有256kb，ram16k。另一條是amba總線ahb，主要連接向量中斷控制器和外部存儲器接口，第三條是vpb，通過vpb橋橋接到ahb，用于低速外設(shè)，有點x86主板的味道，不過它把這三個總線都集成在一個處理器里面。vpb上連接了好多外設(shè)，像uart，i2c，spi，timer，pwm，a/d，rtc，hot dog，系統(tǒng)控制，外部中斷。這些外設(shè)通常以主頻的1/2，1/4，1倍速度運行，這里我不會講這些外設(shè)如何控制，如何設(shè)定寄存器，那楊可以寫一本數(shù)據(jù)手冊了。我只講我覺得這個處理器里我覺得比較有意思的東西。

　　這個處理器內(nèi)含振蕩器，可以外接晶振也可直接接時鐘，還含有pll，我們使用時通常讓它在振蕩器模式下啟動運行，然后切換到pll模式，可以提高運行速度。這個處理器有掉電模式和空閑模式，空閑模式只禁止cpu的時鐘，但是外設(shè)時鐘繼續(xù)運行，在掉電模式pll停止運行，掉電模式通過reset可復(fù)位，空閑模式通過reset或外部中斷可復(fù)位。lpc2214可以外接各類接口芯片，它一共有四個外接設(shè)備地址空間，每個空間有16M，可以按8，16，32位模式訪問。lpc2214有一個存儲器加速模塊，可以設(shè)定是否預(yù)取，可以設(shè)定不預(yù)取，連續(xù)指令預(yù)取，所有指令數(shù)據(jù)都預(yù)取，開機(jī)默認(rèn)是不預(yù)取。其實第三個情況就類似x86中的二級cache，因為目前的家用x86處理器cache設(shè)計都是兩極結(jié)構(gòu)，第一級是哈佛結(jié)構(gòu)，第二級就是指令數(shù)據(jù)共享一個cache。其實即使在不預(yù)取的情況下因為lpc2214是三級流水線結(jié)構(gòu)，也會預(yù)取兩條指令，當(dāng)前指令地址為pc+2，這只是層次和說法上的問題。最后就是處理器的地址空間布局，lpc2214不存在io空間，它是內(nèi)存空間統(tǒng)一編址，0地址開始是rom，256k，1G以上是ram，16k，2G以上是外部地址空間，64M，2.5G以上是vpb和ahb地址空間；其中rom空間的頂端是boot block塊，8k，這8k還映射到2G的頂端。最低64字節(jié)是中斷向量表，可以映射到boot block，內(nèi)部rom，內(nèi)部ram，外部空間，具體映射可以設(shè)定memmap寄存器。