嵌入式之ARM（架构，寄存器，处理器模式，所用工具）

ARM架构和处理器

• ARM系列处理器：
  

• 各个系列区别与功能演变
  

• 相关术语介绍
  （1）流水线：CPU运转机制：取指令（F） —> 译指令 （D）—> 执行（E）三级流水，还有多级流水
  （2）DSP：数据信号处理
  （3）Jazelle ：ARM里针对JAVA的编程模型
  （4）ThumbEE：Thumb指令（辅助ARM指令的16位指令）的环境变量
  （5）Thumb-2：（16位和32位指令并存）
  （6）TrustZone：ARM架构中的安全架构
  （7）VFP：Vector Floating-Point（矢量浮点运算机制）
  （8）Advanced SIMD（NEON）
  （9）Lararge Physical Address Extension（LPAE）
  （10）Virtualization
  （11）Big LITTLE ：例如主处理器：A15，协处理器：A8，解决能耗问题

• ARM v7-A系列关键技术点
  （1）32位 RISC 处理器，有16个32位可见寄存器
  （2） 哈弗结构（不是普林斯顿结构）（指令和数据分开存储）
  （3）Thumb-2指令支持
  （4）VFP 和 NEON 可选
  （5）向后兼容
  （6）4GB虚拟地址大小和最小4GB物理地址（4GB寻址）
  （7）大小端数据访问支持

一些常用工具

• QEMU
  QEMU 是一套由Fabrice BElla让的所编写的模拟处理器的自由软件。它类似与Brochs，PearPC，但其具有某些后两者都不具备的特性，如高速度及跨平台的特性。经由kqemu这个开源的加速器，QEMU能模拟至接近真实电脑的速度

• BusyBox
  BusyBox是一个集成了一百多个常用linux命令和工具的软件。别称为linux工具中的瑞士军刀。它集成压缩理论linux的许多工具和命令，也包含了Andriod系统自带的Sheel。

• Scratchbox
  Scratchbox是一个帮助嵌入式Linux跨平台编译工具的集合，其主要目的是使得嵌入式Linux应用程序开发更加容易，他也提供了完整的集成工具链以用来跨平台编译集成一个Linux发布版。

• U-Boot
  U-Boot，大名鼎鼎的开源BootLoader

• UEFI and Tianocore
  UEFI 统一可扩展部件接口

ARM软件工具链

GNU-包含gcc and ARM-包含 armcc

用工具链生成镜像（Image）过程如下：

• GNU工具链可以用来开发内核也可以用来开发应用程序，包含如下组件：
  – GNU make
  – GNU Compiler Collection (GCC)
  – GNU binutils linker,assembler and other object/library manipulation tools
  – GNU Debugger(GDB)
  – GNU build system (autotools)
  – GNU C library (glibc or eglibc)

• Ubuntu 安装标准工具链
  sudo apt-get install gcc g+±doc

• Ubuntu 安装交叉工具链：
  sudo apt-get install gcc-arm-linux-gnueabi

ARM寄存器，处理器模式和指令集

• CPU组成
  

• 处理器模式
  Cortex-A系列有：ARM架构有9种处理器模式，8种特权模式，一种非特权模式即用户模式
  
  其中User模式称为非特权模式，而其他8种称为特权模式

• Cortex-A系列的寄存器
  
  用户模式：R0-R12 13个通用寄存器 4个特殊寄存器，
  FIQ等特权模式下：R0-R7寄存器与用户模式的R0-R7寄存器共享（其他模式类似（根据上图可以得出）

• 寄存器总结：
  （1）R0 - R12 通用寄存器，方通用数据，32BIT
  （2）各个模式的 R0 -R12 与 USER 模式是共享的（处理FIQ，R8 - R12），PC,CPSR 共享的
  （3）USER模式没有SPSR

  解释：
  （1）SP --栈指针（存储栈地址）
  （2）LR --链接寄存器，存储子程序返回地址
  （3）PC --程序计数器
  （4）APSR/CPSR --应用程序状态寄存器、当前程序状态寄存器
  （5）SPSR --已存储程序状态寄存器

• 举例sample：
  （1）程序返回，其实就是MOV PC LR
  （2）跳转 BL

• CPST 指令格式：
  
  其中：
  N — ALU负数
  Z — ALU零位
  C — ALU进位操作
  V — ALU操作溢出
  Q — 累积饱和 instructions
  J — 是否 Jaelle 状态
  GE[3:0] — SIMD 指令使用
  IT[7:2] — Thumb-2 指令的 if ,then 条件执行
  E — 操作存储的字节顺序
  A — 是否 disable 异步 abort
  I — disables IRQ 是否禁用IRQ
  F — disables FIQ，是否禁用FIQ

• 小端存储和大端存储
  （1）大端存储：是指数据的高字节保存在内存的低地址中，而数据的低字节保存在内存的高地址中，这样的存储模式有点儿类似于把数据当作字符串顺序处理：地址由小向大增加，而数据从高位往低位放。
  （2）小端存储：是指数据的高字节保存在内存的高地址中，而数据的低字节保存在内存的低地址中，这种存储模式将地址的高低和数据位权有效地结合起来，高地址部分权值高，低地址部分权值低，和我们的逻辑方法一致。
  如果将一个32位的整数0x12345678存放到一个整型变量（int）中，这个整型变量采用大端或者小端模式在内存中的存储由下表所示
  
  小端：较高的有效字节存放在较高的存储器地址，较低的有效字节存放在较低的存储器地址。
  大端：较高的有效字节存放在较低的存储器地址，较低的有效字节存放在较高的存储器地址。

• 指令流水线Pipeline
  
  扩展到5级流水

分解指令过程：
（1）指令预读取：决定从内存哪儿去取指令 PreFetch
（2）指令读取：从内存系统中读取指令 Fetch
（3）指令译码：解读指令并且生成控制信号
（4）寄存器读取：提供寄存器的值给操作单元执行
（5）分配：分配指令给执行单元
（6）执行：实际的ALU单元处理
（7）内存访问：数据的存取
（8）寄存器回写：更新运行结果到寄存器