ARM体系结构

Posted 2020-11-30 jiangyu0331

嵌入式系统的构成　

　　软件：
　　　　应用程序
　　　　第三方库（Qt，libc，myclient）
　　　　操作系统：
　　　　引导程序
　　　　内核+驱动
　　　　文件系统
　　硬件：
　　　　底板：
　　　　　　外置芯片
　　　　　　　　网卡（DM9000）
　　　　　　　　声卡
　　　　　　　　ADC
　　　　　　　　电源
　　　　　　　　USB
　　　　　　接口：
　　　　　　　　串口
　　　　　　　　SD
　　　　　　　　LCD+触摸屏
　　　　　　　　摄像头
　　　　　　　　按键
　　　　　　核心板：
　　　　　　　　Soc(CPU+uart+timer)
　　　　　　　　DDR
　　　　　　　　Nand

 

ARM的体系结构

一、ARM的工作模式

　　用户模式
　　系统模式
　　快速中断模式
　　外部中断模式
　　特权模式
　　快速模式
　　未定义模式
　　除用户模式外，其它被称为特权模式
　　用户模式和系统模式外，其它被称为异常模式

二、ARM的寄存器

 

一共37个寄存器，用户模式和系统模式可以使用17个，其它模式可以使用18个（17+状态寄存器的备份）。
r0~r7：所有模式共用
r8~r12：快速中断模式有它私有的，其它模式共用。
r13~r14：用户模式和系统模式共用，其它模式有私有的。
r15、cpsr：所有模式共用
r15也叫pc：程序计数器，它记录着下一条要执行的程序，可以被赋值，这样就实现了跳转。
cpsr：用户来记录上一条指令的执行状态，进位、溢出、零、负数、当前模式，只有12位有效，其它位目前保留。
spsr：用户模式和系统模式下没有，其它模式有私有的。
与cpsr的格式一样，它是用来备份用户模式和系统模式的cpsr。

三、流水线

一条指令的执行需要六个步骤：
　　1、取指
　　2、译码
　　3、取数
　　4、计算
　　5、存储
　　6、回写
如果只是按顺序执行，那么执行其中一项操作时其它硬件都处于空闲状态，因此ARM引入了流水线的概念，每个控制单元只负责干一件事情，这样理论上，三级流水线就提高了三倍的性能，而5级流水线就提高了五倍的性能。
但实际情况其实达不到，因为流水线会被打断、暂停。
比如：
bl func //跳转指令
ldr r0,[r0,#0]
add r0,r0,r1 //在5级流水线上产生

四、ARM处理器寻址方式

1.立即寻址：#100
2.寄存器寻址：r0，把寄存器当变量使用
3.寄存器间接寻址：[r0]，把寄存器当指针变量使用，*r0
4.寄存器偏移寻址：r0 << n，对寄存器进行左移或右移操作
5.基址变址寻址：[r0,#1]，相当于对指针变量进行加减操作，*(r0+1);
6.多寄存器寻址：寄存器的批量操作，类似于数组初始化操作
7.堆栈寻址：在ARM汇编语句中也可以使用堆内存和栈内存，但前提是要设置好堆内存和栈内存的基地址，然后就可以向堆内存和栈内存读取、写入数据。

五、ARM指令集

1、ARM指令的格式
　　<opcode> {<cond>}{S} <Rd>,<Rn> <operand2>...
　　opcode 指令码
　　cond 条件码
　　S 是否影响状态寄存器
　　Rd 目标寄存器
　　Rn 源寄存器
　　{} 可以省略，而<>必须要有的
2、RM指令条件执行及标志位
　　CMP会自动把比较结果存储到状态寄存器
　　而数据处理指令需要在指令反加S才会把计算结果存储到状态寄存器。
　　EQ 相等
　　NE 不等
3、跳转指令
　　B 目标地址，是一种相对地址跳转，在当前地址的基础上加一个偏移值，进行跳转，这种跳转速度比较快，但是跳转的范围有限，正负32M以内。
　　BL 目标地址，是一种绝对地址跳转，需要是完整的一个地址，在跳转前会把下一条指令的地址存储到r14中，然后跳转到目标位置执行，当执行完成后，可以从r14中恢复到pc中，这样就实现了返回。

　　BLX 功能与BL类似，但会从ARM（32位状态），切换到Thumb（16位状态）。
　　BX 功能与B类似，但会从ARM（32位状态），切换到Thumb（16位状态）。

4、数据处理指令
　　MOV r0,#100 <=> r0 = 100
　　MOV R1,R3,LSL,#3 <=> r1 = r3 <<3

　　MVN r0,#100 <=> r0 = ~100
　　ADD r0,r1,#110 <=> r0=r1+110
　　SUB R0,R0,#1 <=> r0-=1 反减
　　RSB R3,R1,#0xFF00 <=> r3=0xff00-r1

　　ADDS R1,R1,R2
　　ADC R0,R0,R2 带进位的加

　　SUBS R0,R0,R2
　　SBC R1,R1,R3 带借位的减

　　RSBS R2,R0,#0
　　RSC R3,R1,#0 带借位的反减

　　AND R0,R0,#3 <=> r0 = r0&3
　　ORR R0,R0,#3 <=> r0 = r0|3
　　EOR R1,R1,#3 <=> r1 = r1^3
　　BIC R0,R0,#3 <=> r0 = r0&(~3)
　　CMP R1,R0 把两个数的比较结果影响状态寄存器
　　CMN R1,R0 把两个数求反后比较，并把比较结果结果影响状态寄存器
　　TST R0,#0x01 把两个数进行按位与操作，并把计算结果影响状态寄存器
　　TEQ R1,R2 把两个数进行按位异或操作，并把计算结果影响状态寄存器
5、程序状态寄存器传输指令
　　MRS R7,CPSR 把当前模式的状态寄存器备份到r7
　　MSR CPSR_cxsf,R3 把数据写入到状态寄存器
　　[31:24] 为条件标志位域，用f表示
　　[23:16] 为状态位域，用s表示
　　[15:8] 为扩展位域，用x表示
　　[7:0] 为控制位域，用c表示
6、Load、Store指令
　　Load 从内存加载数据到寄存器
　　LDR R0,#8
　　LDR R0,[R1,#8] <=> r0 = *(r1+8);
　　DMFD R13,{R0,R4‐R12,LR}

　　Store 把寄存器中的数据写到内存
　　STR #8,R0
　　STR R0,[R1,#8] *(r1+8) = r0
　　STMFD R13,{R0,R4‐R12,LR}
　　SWP r0,r1,r2 <=> r0 = r2; r2 = r1;
7、中断指令
　　SWI 0-16777215 一旦这条指令就会进入中断模式。

六、电源锁定：

1、找到厂家提供的代码，保存为start.S文件。
　　start:
　　ldr r0, =0xe010e81c
　　ldr r1, [r0]
　　orr r1, r1, #0x300
　　orr r1, r1, #0x1
　　str r1, [r0]
2、生成目标代码
　　arm-none-linux-gnueabi-gcc -c start.S ->start.o
3、生成可执行文件（设置代码段、不加入启动代码、不加入标准库）
　　arm-none-linux-gnueabi-gcc -Ttext 0xd0020010 -nostartfiles -nostdlib start.o -o lock
4、从可执行文件中拷贝出纯二进制指令
　　arm-none-linux-gnueabi-objcopy -O binary lock lock.bin
5、编译出添加校验和的工具（研究一下，明天我们自己写一份）
　　gcc mkv210_image.c -o mkv210
6、为lock.bin添加校验和
　　./mkv210 lock.bin lock_image.bin
7、把添加校验和后的文件烧写到SD卡中执行，效果：开发板能够持续供电。