ARM处理器体系结构简要总结

搞arm两个月了，有点收获，就谈它了。本文主要介绍ARM7系列处理器。呵呵，不是相关专业可能有很多人不知道arm是个什么东西吧，我现在简要介绍一下各种处理器分类，目前我们的处理器阵营中分为CISC和RISC两大系列，CISC是复杂指令集处理器，这种处理器每条指令可以执行比较多的复杂操作，而且指令长度不定，我知道的有X86处理器是CISC处理器，目前intel和amd出的处理器主要都是x86处理器，intel的x86从8086开始到80186，283，386，486，Pemtium，pentium pro,pentium 2,pentium 3,pentium 4,扣肉2，四核志强等，还有赛扬，pentium M，pentium D等很多变种，有些提供高的性价比，有的专用于移动领域或低功耗领域。Amd的x86有毒龙，速龙，酷龙等。从8086到386是一次飞跃，实现了保护模式和虚86模式，以此为基础才有后来的Window3.1，386到Pentium是一次飞跃，硬件上从硬连逻辑转换到微指令实现，pentium 到扣肉又是一次较大的飞跃，从一个处理器核到两个，为多任务提供了充分的支持。RISC处理器种类比较多，指令长度固定，执行周期固定,从微控制器、mips、arm、alpha、powerpc、sun sparc等。微控制器子类又很多，目前很多较小的嵌入式控制场合都用得是微控制器，比如sim卡，一卡通，电子表等，有单片机、pic、lpc等。mips是mips公司研究出的一套体系结构，目前龙芯，聚芯都是基于mips，个人认为10年内会销声匿迹。alpha不了解，很少用到。powerpc是ibm，hp等公司合力出的一套，挺复杂，结构严谨，但推广不好，sparc只在sun得到大力支持。arm是目前应用最广泛的一套指令系统，支持多任务，只要是超出单片机能力、x86又太浪费的场合大部分都用arm。90%的智能手机都是arm处理器。

　　arm处理器有7个处理器模式（x86有3个），用户模式、管理模式、未定义模式、中止模式、特权模式、irq模式，fiq模式。

　　用户模式和管理模式：共用r0-r14个通用寄存器，pc寄存器，共用一个cpsr。

　　未定义模式、中止模式、特权模式、irq模式：共享用户模式和管理模式的r0-r12，各自专用的r13-r14,注意和用户模式的r13-r14不同，pc寄存器，各自专用的cpsr和spsr。

　　fiq模式:共享用户模式和管理模式的r0-r7,专用的r8-r14，pc寄存器，各自专用的cpsr和spsr。

　　注意pc寄存器是所有模式共享一个。

　　编程时如果c和汇编共存要遵守atpcs标准，简单的说这个标准要求函数调用时r0-r3传递参数，如果参数多于四个通过堆栈传递，从右往左压参。如果有返回值用r0表示。

　　用户模式相当于x86中的第三特权级,用于执行普通任务,不可以执行特权操作,不能切换模式等,

　　未定义模式用于执行一条未定义指令时触发,可通过软件模拟执行,用于模拟浮点或dsp等.

　　中止模式用于取指出错或访存出错,内在原因可能是需要调页,或访问了非法区域.

　　特权模式在reset后自动进入,通过swi软指令中断也可进入.[!--empirenews.page--]

　　irq用于普通中断处理,速度慢,进irq后默认关普通中断,但开fiq.fiq用于快速中断处理,有专用的r8-r14寄存器,一般不需要保存现场,进fiq后所有中断标记都关掉.

　　除用户模式外其他模式都有特权,可以为所欲为.

　　r13默认用来作为堆栈寄存器,r14用于保存返回地址.

　　用户模式和管理模式只有cpsr，没有spsr。cpsr是当前状态寄存器,内含算数运行标记位,irq和fiq标记,模式位,保留位。spsr是cpsr的备份。

　　arm处理器支持arm指令集和thumb指令集，arm指令集是32位，thumb指令集是16位，具有arm指令集的子集功能，实现同样的功能用thumb指令集所需空间较小，但执行时间有可能变长。arm代码向thumb代码跳转通过BX指令完成。BX指令通过判断数据项的最后一位来确定是否转入thumb或arm模式，跳转后会设置cpsr中的模式位。

　　这里我不打算描述arm或thumb指令集，因为那需要太大的篇幅，但arm和x86相比有一些很大的特殊之处就是它的堆栈可以向上或向下增长，而且存数与累加谁在先都可，这样就有四种堆栈方式；另外每条arm指令都带有执行条件，像溢出，进位等，只有在满足特定条件下指令才会得到执行；当然arm指令集不存在像x86指令集那样的向下兼容性，386支持16位实模式，兼容8086，但32位arm却没法识别16位arm指令集。

　　这是我对arm处理器内部的一些了解。

　　下面谈谈philips公司出的一款lpc2214处理器，内含arm7tdmi-s处理器核，支持jtag调试和跟踪。lpc2214一共有三条内部总线，一条是内部局部总线，用来连接内部ram和rom，rom有256kb，ram16k。另一条是amba总线ahb，主要连接向量中断控制器和外部存储器接口，第三条是vpb，通过vpb桥桥接到ahb，用于低速外设，有点x86主板的味道，不过它把这三个总线都集成在一个处理器里面。vpb上连接了好多外设，像uart，i2c，spi，timer，pwm，a/d，rtc，hot dog，系统控制，外部中断。这些外设通常以主频的1/2，1/4，1倍速度运行，这里我不会讲这些外设如何控制，如何设定寄存器，那杨可以写一本数据手册了。我只讲我觉得这个处理器里我觉得比较有意思的东西。

　　这个处理器内含振荡器，可以外接晶振也可直接接时钟，还含有pll，我们使用时通常让它在振荡器模式下启动运行，然后切换到pll模式，可以提高运行速度。这个处理器有掉电模式和空闲模式，空闲模式只禁止cpu的时钟，但是外设时钟继续运行，在掉电模式pll停止运行，掉电模式通过reset可复位，空闲模式通过reset或外部中断可复位。lpc2214可以外接各类接口芯片，它一共有四个外接设备地址空间，每个空间有16M，可以按8，16，32位模式访问。lpc2214有一个存储器加速模块，可以设定是否预取，可以设定不预取，连续指令预取，所有指令数据都预取，开机默认是不预取。其实第三个情况就类似x86中的二级cache，因为目前的家用x86处理器cache设计都是两极结构，第一级是哈佛结构，第二级就是指令数据共享一个cache。其实即使在不预取的情况下因为lpc2214是三级流水线结构，也会预取两条指令，当前指令地址为pc+2，这只是层次和说法上的问题。最后就是处理器的地址空间布局，lpc2214不存在io空间，它是内存空间统一编址，0地址开始是rom，256k，1G以上是ram，16k，2G以上是外部地址空间，64M，2.5G以上是vpb和ahb地址空间；其中rom空间的顶端是boot block块，8k，这8k还映射到2G的顶端。最低64字节是中断向量表，可以映射到boot block，内部rom，内部ram，外部空间，具体映射可以设定memmap寄存器。