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ARM体系结构—架构—指令集—寄存器—工作模式

news 2025/9/20 8:13:06

基础概念集

嵌入式：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可剪裁的专用计算机系统
计算机系统基本组成：硬件系统软件系统（应用软件，系统软件）
计算机硬件系统基本组成：运算器，控制器，存储器，输入设备，输出设备
存储器：寄存器 > Cache > 主存储器（RAM） > 辅助存储器（外存 - 磁盘）

CPU（Center Processing Unit）：中央处理单元，是一种强大的通用性处理器
GPU（Graphics Processing Unit）：图形处理单元
FPU（Float Processing Unit）：浮点型运算单元

嵌入式领域名词解释
MPU（Mirco Processing Unit）：微处理器通用型偏向处理
MCU（Mirco Contral Unit）：微控制器集成度偏向控制
单片机：单片微型计算机系统
DSP（Digital Signal Processing）：数字信号处理器，为了高强度数学运算而设计的一种专用芯片
SOC（Sysrem On Chip）：片上系统
//是一种集成和设计的理念，像一个蓝图，将市政府（MPU）警察局（MCU）研究所（DSP）机场（调制解调器）放在同一片土地上（芯片），形成功能完善的芯片。
SOC

kerbal：架构：X86，ARM，MIPS，RISC V
计算机指令集：
RISC (Reduce Instruction Set Computer) 精简指令集架构 X86
CISC (Complex Instruction Set Computer) 复杂指令集架构 ARM

RAM (Random Access Memory)
特点：（1）可以被处理器直接寻址
（2）访问速度快
（3）价格昂贵
（4）掉电丢失（易失性存储）
ROM (Read-Only Memory)
特点：（1）不可以被处理器直接寻址
（2）访问速度慢
（3）价格便宜
（4）掉电不丢失（非易失性存储）
flash：nor flash（或非）：可被处理器直接寻址且掉电不丢失
nand flash（与非）：
三大总线（功能上）：地址总线，数据总线，控制总线（若干根）
单总线结构（冯诺依曼架构）：人车不分流，成本低
多总线结构（哈佛架构）：分为高速总线（AHB）和低速总线（APB）（人车分流），成本高，处理速度快，效率高

| 冯诺依曼架构 | 核心特点 |

指令和数据共享同一存储器
单总线结构：使用同一组总线传输指令和数据，无法同时进行指令读取和数据读写
串行工作方式：CPU执行时，需要先从内存取指令，再根据指令取数据、处理、按顺序完成

| 哈佛架构 | 核心特点 |

指令和数据分离：有两个独立的存储器，分别存放指令和数据
多总线结构
并行工作方式：CPU可以同时读取指令和访问数据，提高执行效率

ARM_Kernal
通用寄存器：共十六个（R0~R15），用于缓存数据

R13(sp)
sp（stack pointer）：栈指针寄存器
R14(lr)：在跳转函数之前备份pc寄存器的值
lr（linked register）：链接寄存器
R15(pc)：指向当前正在执行的下一条的下一条指令（即，PC指向预取指令）
pc（program counter）：程序计数器

Cache：高速缓存器

i cache ：instruction
d cache：data

ALU (Arithmetic Logical Unit) ：算数逻辑单元（算数以及逻辑运算）
CPSR（Current Program Status Register）：当前程序状态寄存器（32位）
SPSR（Saved Program Status Register）：程序状态备份寄存器（32位）
MMU（Memory Management Unit）：内存管理单元 (ARM_kernal默认关闭)
外设（eg:GPIO）由操作系统管理

处理器的工作模式

ARM 有7个基本工作模式：(共包含37个32-bits长的寄存器）
<1> User：非特权模式，大部分任务执行在这种模式
<2> FIQ：（快中断请求）当一个高优先级（fast）中断产生时将会进入这种模式
<3> IRQ：当一个低优先级（normal）中断产生时将会进入这种模式
<4> Supervisor：当复位或软中断指令执行时将会进入这种模式
<5> Abort：当存取异常时将会进入这种模式
<6> Undef：当执行未定义的指令时将会进入这种模式
<7> System：使用和User模式相同寄存器集的特权模式
Cortex-A特有模式（额外包含3个32-bits长的寄存器）
<1> Monitor：是为了安全而扩展出的用于执行安全监控代码的模式，也是一种特权模式
<2> Hyp：是为了测试使用

备注：黑色是共用寄存器
ARM寄存器