Linux学习-ARM 架构与处理器相关知识
一、CPU 内核类型
RISC（Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机）：采用精简的指令集，指令长度固定，大多数指令可在一个时钟周期内完成，注重硬件执行效率，通过大量通用寄存器减少内存访问。
CISC（Complex Instruction Set Computer，复杂指令集计算机）：拥有丰富多样的指令集，指令长度不固定，部分复杂指令需要多个时钟周期完成，更注重软件编程的便捷性。
ARM 归属：ARM 属于 RISC 架构，遵循精简指令集的设计原则。
二、ARM 核心组件与寄存器
ARM 内核主要由运算器、控制器、寄存器组和总线接口等部分组成。运算器包含算术逻辑单元（ALU），负责执行各种算术和逻辑运算；控制器用于取指令、译码并控制指令的执行流程；寄存器组提供快速的数据存储和访问，支持指令的高效执行；总线接口则实现内核与外部存储器和外设之间的数据传输。
（一）通用寄存器（内核）
- 无固定地址，包括 R0 - R12 等。
- 特殊功能寄存器：
- PC（Program Counter）：程序计数器，用于指向即将执行的指令地址。
- LR（Linked Register）：链接寄存器，用于保存返回地址等。
- SP（Stack Pointer）：栈指针，指向栈顶位置。
- CPSR（Current Program Status Register）：当前程序状态寄存器，记录当前程序运行状态。
- SPSR（Saved Program Status Register）：备份程序状态寄存器，用于备份程序状态。
（二）Cortex - A7 内核组件
包含 ALU（算数逻辑单元）、MMU（内存管理单元，操作系统工作时启用）、CACHE（高速缓存，分为指令缓存 Instruction Cache 和数据缓存 Data Cache）。
三、ARM 工作模式
| 模式 | 说明 |
|---|---|
| User | 非特权模式，大部分任务执行在该模式，权限最低。 |
| FIQ | 当有高优先级中断产生时进入，用于快速处理高优先级中断。 |
| IRQ | 当有普通优先级中断产生时进入，处理普通中断。 |
| Supervisor | 当复位或中断指令执行时进入，属于特权模式。 |
| Abort | 当存取异常时进入，用于处理存储访问异常。 |
| Undef | 当执行未定义指令时进入。 |
| System | 权限与 User 不同，是拥有和 User 模式相同寄存器集的特权模式。 |
| Monitor（Cortex - A 特有） | 为安全扩展的模式，用于执行安全监控代码，是特权模式。 |
ARM9 和 Cortex A 的寄存器数量
• **ARM9：**有 37 个 32 位寄存器，包括 31 个通用寄存器和 6 个状态寄存器。这些寄存器根据工作模式的不同而被分组使用，不同模式下可见的寄存器有所差异。
• Cortex A 系列（ARMv7 - A 架构）：有 37 个通用寄存器（包括 30 个通用 - purpose 寄存器和 7 个与状态寄存器相关的寄存器），具体数量和分组会根据工作模式有所变化，以适应不同的操作需求。
四、异常产生时 ARM 内核的工作
当异常产生时，ARM 内核会依次执行以下操作：
保存当前程序状态寄存器（CPSR）的值到将要进入的异常模式对应的 SPSR（保存程序状态寄存器）中。
修改 CPSR 中的相应位，以切换到对应的异常模式，并禁止相应的中断（如 IRQ），防止嵌套异常干扰。
将异常返回地址保存到异常模式下的 LR（链接寄存器）中。
强制程序计数器（PC）指向异常向量表中对应的异常处理入口地址，开始执行异常处理程序。
五、硬件架构与总线
- 冯·诺依曼架构：指令和数据共享同一存储空间和总线。
- 哈佛架构：指令和数据有各自独立的存储空间和总线，ARM 采用此架构。
- 总线层级：
- AHB：高速总线，用于连接高性能模块。
- APB：低速总线，用于连接外设（Peripherals）等低速模块。
六、存储相关
- RAM（随机存取存储器）：易失性存储器，断电后数据丢失。
- ROM（只读存储器）：非易失性存储器，断电后数据不丢失。
七、芯片架构（SoC）
SoC（系统级芯片）集成了 ARM 内核、GPU、Timer（定时器）、RAM 等模块，还可外接 ROM 等存储设备。
八、补充概念
- ALU：算数逻辑单元，执行算数和逻辑运算。
- MMU：内存管理单元，负责内存的分配、映射等管理工作。
- CACHE：高速缓存，用于缓解 CPU 和内存之间的速度差异，提高数据访问效率。
- 异常向量表：异常向量表是 ARM 处理器中一个特定的存储区域，其中存放着各种异常处理程序的入口地址。当某种异常发生时，处理器会根据异常的类型，自动跳转到异常向量表中对应的入口地址，从而执行相应的异常处理程序。异常向量表中的每个入口通常对应一种特定的异常类型，如复位、未定义指令、中断等，其地址是固定的，以便处理器快速定位和响应异常。