ARM体系结构与汇编

ARM(Adavanced RISC Machine)

RISC 精简指令集多数指令单周期完成，大多数ARM核都实现两种指令集，32-bit ARM 指令集和 16-bit Thumb 指令集

ARM的三级流水线

PC寄存器：保存的是当前正在执行的指令的地址

ARM三级流水线包括：

  • 取指（fetch）

  • 解码（decode）

  • 执行（execute）

在ARM指令集下执行三步操作，要从当前正在执行指令的地址进行偏移，每次偏移4个字节，而Thumb指令集每次偏移2个字节。

偏移量要对齐，防止出现对内存的非对齐访问！！！

详情参考

https://blog.csdn.net/FJDJFKDJFKDJFKD/article/details/108730380

指令周期数（CPI）= 单位周期内执行的指令条数

6个指令周期，4条指令 CPI = 6/4 = 1.5

并不是流水线越长，cpu的执行效率就越高，要根据指令的平均执行周期数决定。

ARM9及以后的版本使用的都是哈佛体系结构，ARM9中的流水线为5级。

ARM编程模型

ARM的工作模式

ARM有七种工作模式，可以分为特权模式和非特权模式，也可以分为异常模式和非异常模式

image-20230201113125311

前5种为异常模式，后2种为正常模式

前6种为特权模式，最后1种为非特权模式

ARM的工作状态

通常ARM处理器工作状态有两种：ARM工作状态（word 32bit）和Thumb工作状态（half-word 16bit），ARM工作状态执行的是ARM指令，Thumb工作状态执行的是Thumb指令。

切换方法

使用指令进行切换

BX Rm指令

Rm[0] = 0 进ARM状态

Rm[0] = 1 进THUMB状态

处理器自动切换

​ 处理器进行异常处理 (IRQ、FIQ、Undef、 SWI和Abort)若在Thumb状态，则进入ARM状态，异常处理返回后进入Thumb状态。

只有在ARM工作状态下才能处理异常，如果是在Thumb状态下，要切换到ARM状态下处理异常，处理完后还要切换回ARM状态。

ARM的寄存器结构

这里的寄存器和STM32中的寄存器不同，这里的寄存器指的是CPU内部的寄存器。我们把STM32中能用物理地址直接访问到的外设的寄存器称为特殊功能寄存器，而现在的寄存器就是寄存器。

ARM有37个 32bit寄存器（ARM和mips中寄存器都是32bit），由31个通用寄存器 + 6个状态寄存器组成。其中6个状态寄存器，1个CPSR（当前值状态寄存器），5个SPSR（保存状态的寄存器），SPSR可以看作CPSR的备份寄存器，其中5个SPSR和上面5种异常模式是对应的。

ARM 有 37 个32位寄存器,每种模式下访问这些寄存器的一个子集

image-20230201194411513

ARM寄存器的组织结构

上面37个寄存器并不是同时都使用的，而是处于某一个模式的时候选取使用。

image-20230201111559110

寄存器和特殊功能寄存器的区别：

  1. 存在的位置不同

    • 寄存器存在ARM core内部，特殊功能寄存器在外部

  2. 访问的方式不同

    • 特殊功能寄存器有特定的物理地址，寄存器只有名字没有地址，很难用C访问到

在ARM中有37个32bit的寄存器（register），其中31个是通用寄存器，它们的命名方式是r0~r15，其中特殊的需要记住的有：

  • r11（fp frame pointer）帧指针
  • r13（sp stack pointer）栈指针
  • r14（lr保存函数的指针）
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func()
{
	...
	return ;
}
main()
{
	func();//i++指令的地址保存到lr寄存器中
	i++;
}
  • r15（pc 保存的是取指令的地址）
  • 6个状态寄存器
    • 1个程序状态寄存器 cpsr
    • 5个状态寄存器 spsr

程序状态寄存器cpsr/spsr

cpsr是32bit的，其中高4位是NZCV位，每一位都有特殊的含义，称为条件标志位。

  • [28] V 有符号的数据在做运算的时候有进位 V = 1
  • [29] C 运算结果有进位 C = 1
  • [30] Z 运算结果为0 Z = 1
  • [31] N 运算结果为负数 N = 1

[0:4]：模式位（Mode），标识当前ARM核工作在哪种模式下。

一共有7种模式，这7中模式公用一个cpsr，当切换模式的时候，每种模式的cpsr就需要改变。

M[4:0] 处理器模式
0b10000 用户模式
0b10001 FIQ模式
0b10010 IRQ模式
0b10011 管理模式
0b10111 终止模式
0b11011 定义模式
0b11111 系统模式

[5]：T位，标识的是当前ARM核的工作状态，Thumb = 1，ARM = 0

[6]：FIQ（快速中断）禁止，写1禁止

[7]：IRQ（普通中断）禁止，写1禁止

异常和异常向量表

ARM core支持5种异常：

  1. 按下reset键，执行swi指令进入SVC异常
  2. 执行到不认识的指令会进入undef异常
  3. 取指令的时候，非法访问存储器会进入abort异常
  4. 按下按键，按键中断进入irq异常
  5. 高优先级的中断进入fiq异常

当异常产生之后，ARM core硬件上会自动做4件事：

  1. 备份CPSR 到 SPSR_<mode>
  2. 设置 CPSR 对应的位
  3. 保存异常函数的返回地址 lr_<mode>（保护现场）
  4. pc跳转到异常向量的入口地址

image-20230201205423969

从异常返回，软件上要干两件事：

  1. cpsr = spsr_<mode> （恢复现场）
  2. pc = lr_<mode>

ARM支持的数据类型

数据类型 字节
double-word 8bit
word 4bit
half-word 2bit
Byte 1bit

需要汇编的情况

  • 系统优化
  • 中断处理，服务程序
  • Debug的时候，分析C语言难以分析
  • 初始化硬件平台

为什么开发板不能直接执行C语言代码，一定要初始化硬件平台？

内存还没有初始化，没有C执行的环境

对齐方式

32bit情况下都要采用4字节对齐，4字节对齐就是存储器的地址能被4整除。

大小端判断

验证arm处理器采用的段模式

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int a = 0x12345678;
			
字节序：
   大端模式			      小端模式
    0x100				12						78
    0x101				34						56
    0x102				56						34
    0x103 				78						12

低地址里存低位是小端（低低小），低地址里存高位是大端（低高大）

编程实现大小端的判断

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#include <stdio.h>

int main()
{
    unsigned int num = 0x12345678;
    unsigned char *p = (unsigned char *) &num;
    if (*p == 0x12)
        printf("Big Endian\n");
    else
        printf("Little Endian\n");
    return 0;
}