ARM架构初探
1.地址空间
1.1.ARM架构下CPU如何访问寄存器
答案其实很简单：指针
int a;
unsigned int *p = &a; // p等于“a的地址”
*p = val; // 写这个地址，就是写a
val = *p; // 读这个地址，就是读a
unsigned int *p = 0x40010800; // p等于某个寄存器的地址
*p = val; // 写这个地址，也就是写这个寄存器
val = *p; // 读寄存器
1.2.ARM架构下CPU访问寄存器流程
在ARM架构下的CPU看来，对内存的访问与对外设寄存器的访问是一样的。
如上图所示：
ARM架构下的CPU向内存控制器发送地址信息，内存控制器会根据地址信息匹配到地址信息所对应的外设（匹配方式为地址信息是否介于某个外设在内存映射图中的地址范围），然后CPU再对内存控制器匹配到的外设进行读写操作（对于RICS架构（ARM架构）的芯片，对于内存或外设只有读写操作，所有的计算都是在cpu内进行的）。
正是由于对于CPU来说，它不需要处理如何将地址信息匹配到相应的外设，因此，就有了内存图的概念。这些外设通过译码电路连接到地址总线上，每个外设都对应着相应的连续内存区间，就形成了内存图。举个例子，以I.MX6ULL为例：
如上图所示，每一个外设在内存图中都占有一段连续的存储空间，要对这些外设进行配置，就访问相应的地址空间。内存图大小为4G。
1.3.ARM架构与X86架构外设区别
如上图所示：
在ARM架构中，是根据CPU发出不同的指令选择不同的设备。而在X86架构下，根据CPU发出的指令不同选择不同的设备。
1.4.RICS和CISC的比较
1.4.1.RICS
ARM芯片属于精简指令集计算机(RISC：Reduced Instruction Set Computing)，它所用的指令比较简单，有如下特点：
① 对内存只有读、写指令
② 对于数据的运算是在CPU内部实现
③ 使用RISC指令的CPU复杂度小一点，易于设计
1.4.2.CISC
x86属于复杂指令集计算机(CISC：Complex Instruction Set Computing)，
它所用的指令比较复杂，比如某些复杂的指令，它是通过“微程序”来实现的。
比如执行乘法指令时，实际上会去执行一个“微程序”，
在“微程序”里，
一样是去执行这4不操作：
① 读内存a
② 读内存b
③ 计算a*b
④ 把结果写入内存
但是对于程序员来说，
他看不到“微程序”，
他好像用一条指令就搞定了这一切！
1.4.3.RISC和CISC的比较
CISC的指令能力强，大多数指令使用率低却增加了CPU的复杂度，指令是可变长格式；
RISC的指令大部分为单周期指令，指令长度固定，操作寄存器，对于内存只有Load/Store操作
CISC支持多种寻址方式；RISC支持的单一寻址方式
CISC通过微程序控制技术实现；
RISC增加了通用寄存器，硬布线逻辑控制为主，采用流水线
CISC的研制周期长
RISC优化编译，有效支持高级语言
2.ARM架构下CPU内部寄存器
在ARM架构下，CPU对外设只有读取/写入的操作。那么，CPU内部是如何存储来自外设的数据的呢？
CPU内部有很多的寄存器无论是cortex-M3/M4，还是cortex-A7，CPU内部都有R0、R1、……、R15寄存器，它们可以用来“暂存”数据。
对于R13、R14、R15，还另有用途：
R13：别名SP(Stack Pointer)，栈指针
R14：别名LR(Link Register)，用来保存返回地址
R15：别名PC(Program Counter)，程序计数器，表示下一个指令地址，写入新值即可跳转
如下图所示，Cortex-M3/M4和Cortex-A7的内部寄存器几乎差不多
在ARM架构下，CPU可以运行在多种模式下，正是由于CPU可以运行在多种模式下，所以才能够支持操作系统。
如上图所示，Cortex-A7中有九种运行模式，并且在有些模式下有自己独立的寄存器。
但是又出现了一个新的问题，比如，如果比较了两个数，结果保存在哪？
运算的结果保存在了XPSW中（程序状态字寄存器）通过这个寄存器的名字我们可以猜到，这个寄存器就是用来保存程序的状态。那这个寄存器里面到底能够保存哪些状态呢？
我们发现，不论是对于Cortex-M4还是对于Cortex-A7来说，PSR几乎没有什么区别。
3.ARM指令集
3.1.知识储备
- 汇编语言的本质就是机器码，汇编语言是机器码的助记符，编译器编译的时候只是进行了替换而已
- 指令集：就是一系列指令的集合。如今指令集有三种，ARM指令集、Thumb指令集、Thumb1指令集。
- 在程序前面用CODE32/CODE16/THUMB表示指令集:ARM/Thumb/Thumb2
3.2.指令集
一开始，ARM公司发布两类指令集：
① ARM指令集，这是32位的，每条指令占据32位，高效，但是太占空间
② Thumb指令集，这是16位的，每条指令占据16位，节省空间
要节省空间时用Thumb指令，要效率时用ARM指令。
一个CPU既可以运行Thumb指令，也能运行ARM指令。怎么区分当前指令是Thumb还是ARM指令呢？
程序状态寄存器中有一位，名为“T”，它等于1时表示当前运行的是Thumb指令。
那么问题又来了：
假设函数A是使用Thumb指令写的，函数B是使用ARM指令写的，在函数A中调用函数B如何实现呢？
我们可以往PC寄存器里写入函数B的地址，就可以调用B，
但是怎么让CPU在执行B函数是进入ARM状态，在返回执行A函数时进入Thumb状态？
调用函数A时，让PC寄存器的BIT0等于1，即：PC=函数A地址+(1<<0)；
调用函数B时，让PC寄存器的BIT0等于0:，即：PC=函数B地址
但是发现这样太麻烦了，对于程序员来说，每写一个函数体，还要在函数体里面加上ARM或Thumb声明。因此引入了Thumb2指令集，它支持16位指令、32位指令混合编程。
有那么多指令集：ARM、Thumb、Thumb2，不好记啊！
不用区分它们，不用担心，
ARM公司推出了： Unified Assembly Language，简称UAL，统一汇编语言，你不需要去区分这些指令集。
注意：thumb2指令集只支持Cortex-M内核，Cortex-A内核的还是沿用原来的ARM和thumb指令集
3.3.汇编指令
在之后学习操作系统的时候，我们用经常用到的汇编指令也一下那么几条，没见过的直接GOOGLE就可以了。
MOV LDR/STR LDM/STM AND/OR ADD/SUB B/BL DCD ADR/LDR CMP
3.3.1.汇编指令分类
汇编指令可以分为几大类：数据处理、内存访问、跳转、饱和运算、其他指令。
3.3.2.汇编指令的格式
UAL汇编格式为：
Operation表示各类汇编指令，比如ADD、MOV；
cond表示conditon，即该指令执行的条件；
S表示该指令执行后，会去修改程序状态寄存器；
Rd为目的寄存器，用来存储运算的结果；
Rn、Operand2是两个源操作数
3.3.3.立即数
MOV R0, #VAL
意图是把VAL这个值存入R0寄存器。
问：VAL可以是任意值吗？
答：不可以，必须是立即数。
问：为什么？
答：假设VAL可以是任意数，”MOV R0, #VAL”本身是16位或32位，哪来的空间保存任意数值的VAL？
所以，VAL必须符合某些规定。
3.3.4.伪指令
去判断一个VAL是否立即数，麻烦！并且我就是想把任意数值赋给R0，怎么办？
可以使用伪指令：
LDR R0, =VAL
“伪指令”，就是假的、不存在的指令。
注意：LDR作为“伪指令”时，指令中有一个“=”，否则它就是真实的LDR(load regisgter)指令了。
编译器会把“伪指令”替换成真实的指令，比如：
LDR R0, =0x12
0x12是立即数，那么替换为：MOV R0, #0x12
LDR R0, =0x12345678
0x12345678不是立即数，那么替换为：
LDR R0, [PC, #offset] // 2. 使用Load Register读内存指令读出值，offset是链接程序时确定的
……
Label DCD 0x12345678 // 1. 编译器在程序某个地方保存有这个值
3.3.5.内存访问指令
LDR：Load Register；LDM：Load Multiple Register；
STR：Store Register；STM：Store Multiple Register。
3.3.6.数据处理指令
3.3.7.跳转指令
核心指令是B、BL：
B：Branch，跳转
BL：Branch with Link，跳转前先把返回地址保持在LR寄存器中
3.3.8.ARM编译器和GCC编译器语法差异
在使用keil5对开发项目进行编译，使用的是ARM编译器，语法为armasm。
在使用arm-linux-guneabihf-gcc对开发项目进行编译，使用的是GCC编译器，语法为GNU Assembler。
虽然两者所使用到的关键字（语法）很大的不一样，但是对学习汇编没用太大的影响，语言不是难点。
4.ARM汇编模拟器
VisUAL是一款ARM汇编模拟器，
下载地址：https://salmanarif.bitbucket.io/visual/downloads.html
如果无法下载，可以联系我。VisUAL模拟的ARM板子如下图所示，它没有模拟外设，仅仅模拟了CPU、ROM、RAM。红色区域是ROM，不能读不能写，只能运行其中的程序；ROM区域本来可以读的，这是VisUAL的局限，RAM区域可读可写。
