嵌入式学习day44-硬件—ARM体系架构
一、ARM处理器概述
ARM处理器特点
- RISC架构：精简指令集计算机
- 低功耗设计：适合移动设备和嵌入式系统
- 高性能：优化的流水线设计
- 可扩展性：支持多种配置和扩展
二、ARM处理器核心组件
1. 处理器核心 (Core)
ALU (算术逻辑单元)
- 执行算术运算
- 执行逻辑运算
- 数据处理的核心部件
寄存器组 (Register File)
- 通用寄存器：R0-R15
- 特殊寄存器：SP(堆栈指针)、LR(链接寄存器)、PC(程序计数器)
- 状态寄存器：CPSR(当前程序状态寄存器)
2. 存储系统层次结构
缓存系统 (Cache)
L1 Cache (一级缓存)
- 指令缓存 (I-Cache)
- 数据缓存 (D-Cache)
- 容量小但速度最快
L2 Cache (二级缓存)
- 统一缓存设计
- 容量较大，速度中等
- 减少对主存的访问
存储器管理单元 (MMU)
- 地址转换：虚拟地址到物理地址
- 存储保护：访问权限控制
- 缓存管理：缓存一致性维护
3. 总线系统
AHB (Advanced High-performance Bus)
- 高性能总线
- 连接处理器核心与高速外设
- 支持突发传输和流水线操作
APB (Advanced Peripheral Bus)
- 外设总线
- 连接低速外设
- 功耗优化设计
三、ARM指令集架构
1. 指令类型分类
数据处理指令
- 算术运算：ADD、SUB、MUL等
- 逻辑运算：AND、OR、XOR等
- 比较指令：CMP、TST等
数据传输指令
- 加载指令：LDR、LDRB、LDRH
- 存储指令：STR、STRB、STRH
- 多数据传输：LDM、STM
分支指令
- 无条件分支：B
- 条件分支：BEQ、BNE、BGT等
- 子程序调用：BL、BLX
2. 寻址模式
- 立即寻址：操作数直接在指令中
- 寄存器寻址：操作数在寄存器中
- 间接寻址：通过地址访问操作数
- 相对寻址：基于PC的偏移寻址
四、ARM处理器工作模式
1. 处理器模式
- 用户模式 (User)：普通程序运行模式
- 系统模式 (System)：特权模式，与用户模式共享寄存器
- 监管模式 (Supervisor)：软中断和复位后的模式
- 中断模式 (IRQ)：外部中断处理模式
- 快速中断模式 (FIQ)：快速中断处理模式
- 中止模式 (Abort)：数据/指令预取中止模式
- 未定义模式 (Undefined)：未定义指令异常模式
2. 状态寄存器 (CPSR)
- 条件标志位
- N：负数标志
- Z：零标志
- C：进位标志
- V：溢出标志
- 控制位
- I：IRQ中断禁止位
- F：FIQ中断禁止位
- T：Thumb状态位
- M：模式位
五、ARM流水线技术
1. 三级流水线
- 取指 (Fetch)：从存储器取指令
- 译码 (Decode)：解析指令操作
- 执行 (Execute)：执行指令操作
2. 流水线优化
- 分支预测：减少分支跳转延迟
- 指令预取：提前取指提高效率
- 数据前递：解决数据相关问题
六、存储器系统
1. 存储器映射
- 代码区：存放程序代码
- 数据区：存放全局变量和静态变量
- 堆区：动态内存分配
- 栈区：局部变量和函数调用
2. 存储器保护
- 访问权限控制：读、写、执行权限
- 域访问控制：不同域的访问策略
- 虚拟存储管理：地址空间隔离
七、中断和异常处理
1. 中断类型
- IRQ：普通中断请求
- FIQ：快速中断请求
- 软中断：SWI指令触发
2. 异常处理流程
- 保存当前程序状态
- 切换到相应的异常模式
- 跳转到异常向量表
- 执行异常处理程序
- 恢复原程序状态并返回
八、Thumb指令集
1. Thumb特点
- 16位指令格式：节省代码空间
- 与ARM指令兼容：可混合使用
- 高代码密度：适合存储空间受限的应用
2. Thumb-2技术
- 混合16位和32位指令
- 保持高代码密度
- 提供更丰富的指令功能
九、协处理器接口
1. 协处理器作用
- 浮点运算协处理器：执行浮点运算
- 存储管理协处理器：CP15，系统控制
- 用户定义协处理器：扩展特定功能
2. 协处理器指令
- CDP：协处理器数据处理
- LDC/STC：协处理器数据传输
- MCR/MRC：ARM核心与协处理器间数据传输
十、调试和测试支持
1. JTAG接口
- 边界扫描测试
- 在线调试支持
- 芯片测试功能
2. 跟踪支持
- ETM (Embedded Trace Macrocell)：指令跟踪
- 实时调试：不停机调试
- 性能分析：程序执行分析
学习要点总结
- 掌握ARM的RISC特点：理解精简指令集的优势
- 熟悉寄存器组织：重点掌握特殊寄存器的作用
- 理解存储系统层次：缓存、MMU的工作原理
- 掌握指令集分类：数据处理、传输、分支指令
- 了解处理器模式：各模式的特点和切换机制
- 理解流水线技术：提高处理器性能的关键技术
- 掌握中断异常处理：系统可靠性的重要保障