百问网智能家居ARM架构的一些知识点

Posted 2023-04-04 pupuhetu

从入门单片机以来，我所用来学习的板子都是ST公司的。他们公司有写好的标准库，HAL库，LL库供学习者使用。但是我觉得这不利于理解单片机工作原理，因为在以后的学习或是工作里，总有遇到其他公司芯片的时候。这就涉及到了寄存器操作等知识。因为ARM架构在嵌入式领域使用较为广泛，所以我在韦东山老师的课程下学习了相关知识。以下内容大部分源于韦老师的课件。

官网就有很多免费的课程，很适合新手入门，韦老师在B站也有课程，我就是B站搜索发现的。下面是韦东山老师团队的官网及B站地址：
新版官网：http://100ask.org/
旧版官网：https://www.100ask.net/
B站链接：https://space.bilibili.com/275908810/channel/detail?cid=135681

一、ARM与x86的区别

首先是操作地址空间的区别，ARM根据cpu发出的不同地址选择不同的设备，包括内存，串口等设备，不区分IO和内存，直接把IO空间映射到内存空间，访问方法都是用内存空间的方式操作。x86是根据cpu发出的不同指令选择不同设备，并且在cpu眼里内存和IO是隔离开的，IO空间使用完全不同的指令来访问。

其次就是指令集，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： 对内存只有读、写指令；对于数据的运算是在CPU内部(即寄存器)实现，所以RISC设定多组寄存器来加速程序的运算；使用RISC指令的CPU复杂度小一点，易于设计。

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”。CISC架构的很多复杂指令都通过CPU内的微码来完成，会影响效率。但是CISC的指令集丰富，编译器设计可以更简单。CISC允许数据处理指令对内存进行直接操作，需要的寄存器数量减少。

二、ARM内部寄存器及汇编知识

ARM架构中CPU内部都有R0-R15寄存器，分别用来暂存不同的数据。

ARM体系结构提供了十六个32位通用寄存器（R0-R15）供软件使用。其中的15个（R0-R14）可用于通用数据存储，而R15是程序计数器，其值随处理器执行指令而改变。显式地写入R15可以更改程序流程。软件还可以访问CPSR和SPSR。SPSR中保存的上一个运行模式的CPSR的副本。
同一个寄存器可能在不同模式下对应物理上不同的位置。只有特定模式下才能访问到这些位置的寄存器。
有些寄存器，不同的工作模式下有自己的副本，当切换到另一个工作模式时，那个工作模式的寄存器副本将被使用，这些寄存器被称为备份寄存器。备份寄存器在物理上使用不同的存储，通常仅在特定模式下才可以访问它们。下图中带阴影标记的寄存器都是备份寄存器。

在所有模式下，“低位寄存器”和R15共享相同的物理存储位置。图3-5显示了某些模式下的某些“高位寄存器”被备份。例如，FIQ模式下使用R8-R12备份寄存器，也就是说，FIQ模式下对其的访问将转到另一个物理存储位置。对于除用户和系统模式以外的所有模式，R13和SPSR都是备份寄存器。
对于备份寄存器，软件通常不会指定要访问哪个模式下的寄存器，这是由当前运行的模式隐含的。例如，在用户模式下使用R13时实际上将访问R13_usr，而在SVC模式下将访问R13_svc。
R13（在所有模式下）是堆栈指针，但是当堆栈操作不需要时，它可以用作通用寄存器。
R14（链接寄存器）保存BL分支指令的下一条指令的地址。当它不支持子程序的返回时，它也可以用作通用寄存器。R14_svc，R14_irq，R14_fiq，R14_abt和R14_und同样用于在发生中断和异常时，或者执行转移和链接指令时，备份R15的返回值。
R15是程序计数器并保存当前程序地址（实际上，在ARM状态下，它始终指向当前指令之后的八个字节，而在Thumb状态下，它始终指向当前指令之后的四个字节，这是原始ARM1的三级流水线的遗留特性）。在ARM状态下读取R15时，位[1：0]为零，位[31：2]包含PC值。在Thumb状态下，位[0]始终读为零。
R0-R14的复位值是不定的。在使用堆栈之前，必须通过引导代码初始化SP（堆栈指针）。因为每种模式下的R13即SP寄存器都有自己的实体，所以你用到哪种模式，就需要单独为该模式设置SP。ARM体系结构过程调用标准（AAPCS）或ARM嵌入式ABI（AEABI）指定了软件应如何使用通用寄存器，以便在不同的工具链或编程语言之间进行互操作。

M系和A系稍有不同。M系的程序状态保存在xPSR里，A系保存在CPSR里。

xPSR在其内部又被分为三个子状态寄存器：
应用程序 PSR（APSR）；中断号 PSR（IPSR）；执行 PSR（EPSR）
通过 MRS/MSR 指令，这 3 个 PSRs 即可以单独访问，也可以组合访问（2 个组合，3 个组合都可以）。当使用三合一的方式访问时，应使用名字“xPSR”或者“PSR”。

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
数据处理指令的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

内存访问指令：读内存指令LDR/LDM，写内存指令STR/STM，
LDM：Load Multiple Register；
STM：Store Multiple Register。

LDR使用伪指令将任意数值赋给寄存器，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。由编译器将伪指令替换成真实指令。

ADR的意思是：address，用来读某个标号的地址，它是伪指令，ADR伪指令会被编译器替换成一条合适的指令，通常，编译器会用一条ADD指令或SUB指令来实现该ADR伪指令的功能，如果不能用一条指令来实现ADR伪指令的功能，编译器将会报错。

LDR 和 ADR 都有能力产生一个地址，但是语法和行为不同。对于 LDR，如果汇编器发现要产生立即数是一个程序地址，它会自动地把 LSB 置位，ADR则不会修改LSB。LDR 通常是把要加载的数值预先定义，再使用一条 PC 相对加载指令来取出。而 ADR 则尝试对 PC 作算术加法或减法来取得立即数。因此 ADR 未必总能求出需要的立即数。其实顾名思义，ADR 是为了取出附近某条指令或者变量的地址，而 LDR 则是取出一个通用的 32 位整数。因为 ADR 更专一，所以得到了优化，故而它的代码效率常常比 LDR的要高。

常用的”满减“：入栈（STMFD/STMDB）出栈（LDMFD/LDMIA）
sp的顺序原则是低标号的寄存器对应低地址，高标号的寄存器对应高地址。
根据栈指针指向，可分为满(Full)/空(Empty)：
满SP指向最后一个入栈的数据，需要先修改SP再入栈
空SP指向下一个空位置，先入栈再修改SP

跳转指令的核心指令是
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
BX：Branch and eXchange，根据跳转地址的BIT0切换为ARM或Thumb状态(0：ARM状态，1：Thumb状态)
BLX：Branch with Link and eXchange 根据跳转地址的BIT0切换为ARM或Thumb状态(0：ARM状态，1：Thumb状态)

了解完这些之后，还是要自己手撸一遍点灯的汇编过程，才会记得更加深刻。

Buildroot系统构建学习笔记(以百问网imx6ull开发板为例)

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