【ARM課程認(rèn)知】

1.ARM課程的作用

承上啟下

• 基礎(chǔ)授課階段：c語(yǔ)言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、linux
• 嵌入式應(yīng)用層課程：IO、進(jìn)程線程、網(wǎng)絡(luò)編程
• 嵌入式底層課程：ARM體系結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)移植、linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)
• c++/QT

2.ARM課程需要掌握的內(nèi)容

• 自己能夠?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)單的匯編編程
• 能夠看懂常見的電路原理圖
• 掌握軟件編程控制硬件的思想
• 了解芯片內(nèi)部常用外設(shè)的工作原理：GPIO、UART、TIMER、IIC、SPI、GIC
• 掌握數(shù)據(jù)手冊(cè)讀寫的方法

3.ARM的學(xué)習(xí)方法

• 上課好好整理明白硬件的工作原理
• 充分利用硬件環(huán)境

【計(jì)算機(jī)相關(guān)理論】

1.計(jì)算機(jī)的組成

輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器

1.輸入設(shè)備：將編寫好的軟件代碼以及相關(guān)的數(shù)據(jù)輸送到計(jì)算機(jī)中，轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別、處理和存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)形式 鍵盤、鼠標(biāo)、手柄、掃描儀、 2.輸出設(shè)備：將計(jì)算機(jī)處理好的數(shù)據(jù)的結(jié)果通過輸出設(shè)備輸出到計(jì)算機(jī)的外部 顯示屏、打印機(jī)、音響。。 3.存儲(chǔ)器：計(jì)算機(jī)用于存放數(shù)據(jù)以及指令的部件。也是計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)"程序存儲(chǔ)控制"的基礎(chǔ) 外部存儲(chǔ)器、內(nèi)存、cache、寄存器 4.控制器（CU）：計(jì)算機(jī)的控制中樞，對(duì)機(jī)器指令進(jìn)行譯碼操作，并且按照譯碼之后的結(jié)果進(jìn)行相關(guān)的控制 5.運(yùn)算器（ALU）：算數(shù)邏輯運(yùn)算單元：根據(jù)控制器譯碼之后的指令和數(shù)據(jù)，進(jìn)行算數(shù)邏輯運(yùn)算，并且把運(yùn)算的結(jié)果進(jìn)行輸出

2.程序編譯的原理

程序編譯的步驟：

• 預(yù)處理：將程序中所有以#開頭的內(nèi)容展開到當(dāng)前文件中 gcc -E 1.c -o 1.i
• 編譯：檢查語(yǔ)法錯(cuò)誤，生成匯編程序 gcc -S 1.i -o 1.s
• 匯編：將匯編程序編譯為二進(jìn)制程序 gcc -c 1.s -o 1.o
• 鏈接：將程序中用到的一些庫(kù)鏈接到程序中，生成二進(jìn)制可執(zhí)行文件 gcc 1.o -o a.out

程序編譯的原理：

CPU能夠識(shí)別的唯一的語(yǔ)言是機(jī)器語(yǔ)言。一個(gè)CPU能夠識(shí)別哪一些機(jī)器語(yǔ)言是由CPU的硬件（運(yùn)算器的類型）決定的。

不同的機(jī)器指令代表不同的運(yùn)算。相同運(yùn)算在不同的機(jī)器上的機(jī)器指令不一定一樣，不同的機(jī)器的機(jī)器指令不通用，不可移植。匯編指令就是特定機(jī)器指令的標(biāo)志。匯編指令也是不通用的。我們可以采用不同的編譯工具編譯程序生成可以被不同架構(gòu)的機(jī)器識(shí)別的機(jī)器指令文件

3.指令和指令集

• 機(jī)器指令（指令的機(jī)器碼）：由二進(jìn)制的0和1組成的一條機(jī)器碼。計(jì)算機(jī)解析這條機(jī)器碼可以做相應(yīng)的運(yùn)算處理
• 匯編指令：一條匯編指令就是一條機(jī)器指令的標(biāo)志。執(zhí)行匯編指令也可以讓機(jī)器進(jìn)行相關(guān)的運(yùn)算處理
• 指令集：指令的集合

4.RISC（精簡(jiǎn)指令集）和CISC（復(fù)雜指令集）

RISC（精簡(jiǎn)指令集）的架構(gòu)主要應(yīng)用于嵌入式的設(shè)備上 精簡(jiǎn)指令集是選取了一些比較簡(jiǎn)單、使用頻率比較高的指令組成的指令集 精簡(jiǎn)指令集的特點(diǎn)： 1.指令的長(zhǎng)度和指令的執(zhí)行周期固定 指令的長(zhǎng)度：一條機(jī)器碼在計(jì)算機(jī)中占用的空間 指令的周期：CPU執(zhí)行一條指令花費(fèi)的時(shí)間（時(shí)鐘周期） 時(shí)鐘周期：CPU主頻率 2.基于精簡(jiǎn)指令集設(shè)計(jì)的CPU核心成本、功耗、體積更低，但是實(shí)現(xiàn)的功能也相對(duì)簡(jiǎn)單 CISC（復(fù)雜指令集） 基于復(fù)雜指令集設(shè)計(jì)的CPU核心更加注重功能的完善性，復(fù)雜指令集內(nèi)核會(huì)集合各自各樣的指令。 特點(diǎn)： 1.指令的長(zhǎng)度和執(zhí)行周期不固定 2.復(fù)雜指令集設(shè)計(jì)的CPU核心實(shí)現(xiàn)的功能更為復(fù)雜，但是功耗、成本都會(huì)更高

生成X86架構(gòu)a.out的反匯編，查看a.out文件中每一條指令的大小和地址

5.目前幾種主流的RISC內(nèi)核

ARM內(nèi)核：主流的嵌入式內(nèi)核，需要得到ARM的授權(quán) RISC-V:正在快速發(fā)展，未來會(huì)成為主流 MIPS:完全閉源，中國(guó)龍芯科技直接買斷，完全壟斷，在它的基礎(chǔ)上還進(jìn)行了一些拓展

【ARM相關(guān)內(nèi)容】

1.ARM的發(fā)展歷史

ARM發(fā)展史 (huawei.com)

ARM ：Advanced RISC Machines（最初命名為Acorn RISC Machine）簡(jiǎn)稱ARM。對(duì)ARM可以有三種理解：1）ARM公司：Advanced RISC Machines Limited；2）ARM處理器架構(gòu)；3）一種技術(shù)——ARM技術(shù)。 ARM 公司是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體知識(shí)產(chǎn)權(quán) (IP) 提供商，并因此在數(shù)字電子產(chǎn)品的開發(fā)中處于核心地位 ARM 的商業(yè)模式主要涉及 IP 的設(shè)計(jì)和許可，而非生產(chǎn)和銷售實(shí)際的半導(dǎo)體芯片。 里程碑1——ARM成立 ARM前身為艾康電腦（Acorn），于1978年，英國(guó)劍橋成立，大學(xué)的孵化物。 1980年代晚期，蘋果開始與艾康合作，開發(fā)新版ARM核心。 1985年，艾康開發(fā)出全球第一款商用RISC處理器，即ARM1，針對(duì)于PC市場(chǎng)，還沒有嵌入式呢！！！ 1990年，艾康財(cái)務(wù)危機(jī)，受蘋果和VLSI（最早做超大規(guī)模集成電路的公司）的投資，成立獨(dú)立子公司：Advanced RISC Machines（ARM），ARM公司正式成立面世 里 程碑2——嵌入式RSIC處理器 1991年，ARM推出第一款嵌入式RISC處理器，即ARM6。 1993年，發(fā)布ARM7。 1997年，發(fā)布ARM9TDMI，三星2440基于此內(nèi)核。 1999年，發(fā)布ARM9E，增強(qiáng)型ARM9。 2001年，ARMv6架構(gòu)。 2002年，發(fā)布ARM11微架構(gòu)。 里程碑3——微控制器 2004年，發(fā)布ARMv7架構(gòu)的Cortex系列處理器，同時(shí)推出Cortex-M3。 2005年，發(fā)布Cortex-A8處理器。 2007年，發(fā)布Cortex-M1和Cortex-A9 2009年，實(shí)現(xiàn)Cortex-A9、發(fā)布Cortex-M0 2010年，推出Cortex-M4(F)、成立Linaro（ARM公司牽頭成立的公共組織，專門做ARM處理器在Linux平臺(tái)上的一些軟件的開發(fā)和移植），推出Cortex-A15 MPcore高性能處理器（性能比較高了，但是發(fā)熱量很大）。 里程碑4——64位處理器時(shí)代 2011年，推出32位 Cortex-A7 處理器，ARMv8發(fā)布 2012年，開始推出64位處理器。推出 Cortex-M0+、ARM 首款64位處理器架構(gòu) Cortex-A53、Cortex-A57 架構(gòu)。全球第一款64位ARM手機(jī)iPhone5s。 2013年，推出32位 Cortex-A12 處理器架構(gòu) 2014年，推出 Cortex-M7(F) 微控制器架構(gòu)；32位 Cortex-A17處理器架構(gòu)。 2015年，推出64位 Cortex-A35、Cortex-A72 處理器架構(gòu)。 2016年，推出 Cortex-M23 、Cortex-M33(F) 微控制器架構(gòu)；32位 Cortex-A32 處理器架構(gòu)；64位 Cortex-A73 處理器架構(gòu)。 2017年，推出64位 Cortex-A55 、Cortex-A75 處理器架構(gòu)。 2018年，推出微控制器 Cortex-M35P；64位 Cortex-A76 處理器架構(gòu)。 2016---ARM被軟銀收購(gòu) 2020---英偉達(dá)收購(gòu)ARM未果

2.ARM架構(gòu)

不同版本的指令集就是不同的架構(gòu)

ARMV1-ARMV6：已經(jīng)被淘汰 ARMV7架構(gòu)：32位架構(gòu)，支持32位指令集 ARMV8架構(gòu)：64位架構(gòu)，支持64位指令集，并且向下兼容32位指令 ARMV9架構(gòu)：64位架構(gòu)，支持64位指令集

3.ARM內(nèi)核

基于不同的ARM架構(gòu)設(shè)計(jì)出來的不同的處理器核心叫做不同的ARM內(nèi)核

arm7/arm9/arm11 cortex-A7 ARMV7 cortex-A53 ARMV8 cortex-A55 ARMV8 cortex-A77 ARMV8 cortex-A78 ARMV8 cortex-x1 ARMV8 cortex-A710 ARMV9 cortex-A510 ARMV9

4.SOC(system on chip)

ARM公司只進(jìn)行技術(shù)授權(quán)。將自己的IP授權(quán)給各個(gè)半導(dǎo)體公司。半導(dǎo)體公司根據(jù)ARM的授權(quán)，在CPU核心外圍設(shè)計(jì)了一些外圍電路和設(shè)備，集成在一個(gè)芯片上，這個(gè)芯片就被成為SOC。

SOC由CPU+外設(shè)備+總線組成

MCU(微控制器) MPU（微處理器）

公司 SOC名稱 內(nèi)核 架構(gòu) ST STM32MP157A cortex-A7 ARMV7 三星 S5P6818 cortex-A53 ARMV8 海思 麒麟9000 cortex-A77 ARMV8 高通 驍龍888 cortex-x1 ARMV8

5.ARM的產(chǎn)品分步

5.1 Cortex-A系列

Cortex-A系列 的核心是ARM處理器中性能最強(qiáng)的、最完善的處理器。屬于高端處理器 在基于Cortex-A處理器為核心的開發(fā)板上可以搭載linux/鴻蒙燈標(biāo)準(zhǔn)化操作系統(tǒng)

5.2 Cortex-R系列

Cortex-R系列 處理器追求系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。對(duì)數(shù)階的實(shí)時(shí)性要求高的場(chǎng)景下使用Cortex-R系列 處理器 汽車、軍工

5.3 Cortex-M系列

屬于ARM處理器中比較低端的芯片處理器，工作主頻一般在24M-256MHz之間 Cortex-M系列 處理器一般不跑操作系統(tǒng)，主要執(zhí)行一些裸機(jī)程序 Cortex-M系列 處理器可以搭載一些輕量級(jí)的實(shí)時(shí)系統(tǒng) FreeRtos

5.4 SecurCore系列

用于對(duì)安全性能要求比較高的場(chǎng)景

6.ARM數(shù)據(jù)約定

查詢芯片手冊(cè)時(shí)可以看到的一些數(shù)據(jù)大小的表述

A7采用的是32位架構(gòu). ARM 約定 Byte 8 bits. Halfword 16 bits. Word 32 bits. Doubleword 64 bits. 32位指令集：一條指令占據(jù)存儲(chǔ)空間的大小是32位 32位處理器：處理器一條指令最大能進(jìn)行32位數(shù)據(jù)的運(yùn)算 想要在32位處理器中進(jìn)行64位數(shù)據(jù)的運(yùn)算： 0X 00000001 FFFFFFFE 0x 00000004 00000002 先讓低32位進(jìn)行運(yùn)算，再讓高32位進(jìn)行運(yùn)算 大部分ARM core 提供： ARM 指令集（32-bit） Thumb 指令集（16-bit ） Cortex-A處理器 16位和32位Thumb-2指令集 16位和32位ThumbEE指令集

7.ARM的工作模式

ARM處理器在面對(duì)不同的情境下需要進(jìn)入不同的工作模式進(jìn)行對(duì)應(yīng)模式下的處理

ARM 有7種基本工作模式: User : 非特權(quán)模式，大部分任務(wù)執(zhí)行在這種模式 FIQ : 當(dāng)一個(gè)高優(yōu)先級(jí)（fast) 中斷產(chǎn)生時(shí)將會(huì)進(jìn)入這種模式 IRQ : 當(dāng)一個(gè)低優(yōu)先級(jí)（normal) 中斷產(chǎn)生時(shí)將會(huì)進(jìn)入這種模式 Supervisor :當(dāng)復(fù)位或軟中斷指令執(zhí)行時(shí)將會(huì)進(jìn)入這種模式 Abort : 當(dāng)存取異常時(shí)將會(huì)進(jìn)入這種模式 Undef : 當(dāng)執(zhí)行未定義指令時(shí)會(huì)進(jìn)入這種模式 System : 使用和User模式相同寄存器集的特權(quán)模式 Cortex-A特有模式： Monitor : 是為了安全而擴(kuò)展出的用于執(zhí)行安全監(jiān)控代碼的模式； 也是一種特權(quán)模式 HYP：虛擬化模式，當(dāng)一個(gè)硬件上運(yùn)行兩種OS內(nèi)核時(shí)進(jìn)入這種模式

8.ARM寄存器組織

8.1 計(jì)算機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)模塊介紹

8.2 寄存器概念

寄存器是集成在CPU內(nèi)部的存儲(chǔ)組織，CPU訪問寄存器數(shù)據(jù)的時(shí)候只需要根據(jù)寄存器的編號(hào)就可以訪問到寄存器的數(shù)值。訪問寄存器的速度塊。但是寄存器存在數(shù)量限制，保存的數(shù)據(jù)量也很少

8.3 ARM v7架構(gòu)下的寄存器組織

ARM 有37個(gè)32-Bits長(zhǎng)的寄存器： 1 個(gè)用作PC( program counter) 1個(gè)用作CPSR(current program status register) 5個(gè)用作SPSR(saved program status registers) 30 個(gè)通用寄存器 Cortex體系結(jié)構(gòu)下有40個(gè)32-Bits長(zhǎng)的寄存器： Cortex-A多出3個(gè)寄存器， Monitor 模式 r13_mon , r14_mon, spsr_mon 當(dāng)前處理器的模式?jīng)Q定著哪組寄存器可操作. 任何模式都可以存取： 相應(yīng)的r0-r12子集 相應(yīng)的 r13 (the stack pointer, sp) and r14 (the link register, lr) 相應(yīng)的 r15 ( the program counter, pc) 相應(yīng)的CPSR(current program status register, cpsr) 特權(quán)模式 (除system模式) 還可以存取： 相應(yīng)的 spsr (saved program status register) 每一個(gè)寄存器大小都是32位

8.4 ARMV8架構(gòu)寄存器組織

8.5 ARMV7架構(gòu)下一些具有特定功能的寄存器

R13寄存器（the stack pointer, sp）

R13寄存器又叫SP（棧指針寄存器），這個(gè)寄存器內(nèi)部保存棧頂?shù)牡刂?一般在內(nèi)存中分出一部分內(nèi)存當(dāng)作棧來使用，SP寄存器時(shí)鐘保存棧頂空間的地址 棧一般存放一些臨時(shí)數(shù)據(jù)，也可以用于保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)

r15寄存器（the program counter, pc）

R15寄存器又被稱為PC寄存器（程序計(jì)數(shù)器） 這個(gè)寄存器始終保存馬上要進(jìn)行取址的指令的地址，當(dāng)一條指令執(zhí)行結(jié)束之后PC寄存器的數(shù)值會(huì)自動(dòng)向下+4 另外，在特定情況下可以手動(dòng)修改PC的值進(jìn)行程序的跳轉(zhuǎn)

R14寄存器（the link register, lr）

R14寄存器又被稱為鏈接寄存器，當(dāng)程序在實(shí)現(xiàn)跳轉(zhuǎn)的時(shí)候,LR寄存器中保存當(dāng)前跳轉(zhuǎn)指令下一條指令的地址。方便 實(shí)現(xiàn)程序的返回 程序的跳轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)： PC-》跳轉(zhuǎn)之后指令的地址 程序的返回： PC=LR

CPSR寄存器(current program status register, cpsr)

CPSR：程序狀態(tài)寄存器 這個(gè)寄存器中保存當(dāng)前程序的運(yùn)行狀態(tài)，比如工作模式等信息 SPSR:saved program status register SPSR寄存器可以用于保存程序某一時(shí)刻的狀態(tài) 比如當(dāng)發(fā)生異常之后，處理器的工作模式要切換到對(duì)應(yīng)的異常模式去處理異常，這樣CPSR的數(shù)值會(huì)發(fā)生對(duì)應(yīng)的改變 在處理完異常結(jié)束后，我們需要將CPSR的值修改為沒有發(fā)送異常之前的狀態(tài)，這個(gè)時(shí)候就可以將SPSR保存的異常發(fā)送之前的狀態(tài)賦值給CPSR

1. N[31] ： 指令的運(yùn)行結(jié)果為負(fù)數(shù)時(shí)，N位被自動(dòng)置1，否則為0. eg ： 100 - 200 2. Z[30] ： 指令的運(yùn)行結(jié)果為零時(shí)，Z位被自動(dòng)置1，否則為0. 100-100 3. C[29] : 加法：加法運(yùn)算如果產(chǎn)生進(jìn)位，C位被自動(dòng)置1，否則為0. 32位指令：低32位向高32位進(jìn)位 0XFFFFFFFF+1 減法：減法運(yùn)算如果產(chǎn)生借位，C位被自動(dòng)清0，否則位1. 32位指令：低32位向高32位借位 1-0XFFFFFFFE 4. V[28] : 符號(hào)位發(fā)送變化，V位被自動(dòng)置1，否則清0. 5. I[7] : IRQ中斷屏蔽位 I = 0 : 不屏蔽IRQ中斷 I = 1 : 屏蔽IRQ中斷 6. F[6] : FIQ中斷屏蔽位 F = 0 : 不屏蔽FIQ中斷 F = 1 : 屏蔽FIQ中斷 7. T[5] : 狀態(tài)位 T = 0 : 表示ARM狀態(tài)，執(zhí)行的是ARM指令集 T = 1 : 表示Thumb狀態(tài)，執(zhí)行的是Thumb指令集 ARM指令集 ： 一條匯編指令編譯生成32位的機(jī)器碼 thumb指令集：一條匯編指令編譯生成16位的機(jī)器碼 ARM指令集的代碼的密度低，而thumb指令記得代碼密度高。 ARM指令集的功能性要高于Thumb指令集。 8. M[4:0] : 模式位 10000 User mode; 10001 FIQ mode; 10010 IRQ 10011 SVC mode; 10111 Abort mode; 11011 Undfined mode; 11111 System mode; 10110 Monitor mode; 其他沒有使用到的值，保留。

9.ARM的流水線工作

9.1 一條指令的執(zhí)行過程

取址：CPU將PC寄存器中保持的指令地址通過地址總線傳輸給存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器將PC對(duì)應(yīng)的指令通過數(shù)據(jù)總線傳輸給CPU。CPU將指令保存在IR（指令暫存寄存器）寄存器中 譯碼：IR寄存器的指令交給譯碼器，對(duì)指令進(jìn)行譯碼 執(zhí)行：譯碼器對(duì)指令譯碼之后由運(yùn)算器對(duì)譯碼之后的指令進(jìn)行運(yùn)算

9.2 ARM三級(jí)流水線

當(dāng)一條指令在被取址是，譯碼模塊和執(zhí)行模塊處于空閑狀態(tài)，這樣這兩個(gè)模塊相當(dāng)于沒有得到充分利用。為了充分，利用資源,ARM引入了流水線工作，增加了指令的處理速度

【任務(wù)】

1.安裝匯編環(huán)境：

開發(fā)工具-》匯編環(huán)境搭建