ARM 架构与技术综述

news2024/11/14 11:59:58

认识 ARM

ARM 发展历史

指令集

ARM 公司产品分类

ARM 体系结构

数据类型约定

处理器的 32 位和 64 位含义

指令集

ARM 处理器的工作模式

CPU (内核) 组成

寄存器

时钟

ARM 可以指：
1. 一家公司。
2. 一种技术。
3. 一系列处理器。
架构：ARM 架构包括：
- arm-v4
- arm-v5
- arm-v6
- arm-v7 (32 位)
- arm-v8 (64 位)
这些架构定义了处理器所支持的指令集。
内核：
- Cortex-A 系列（例如 A9, A53, A73, A77）
- ARM 将其内核授权给芯片制造商，后者在此基础上添加额外的功能和外设，从而制造出 SoC（片上系统）。
SoC (System On Chip)：
- 示例包括 S5P6818、Snapdragon 855（Qualcomm）、Kirin 990（Hisilicon）等。
S5P6818：
- S5P6818 是一个具体的 SoC 示例，但具体细节需要查阅资料来确认。

1978年：CPU 公司（Cambridge Processing Unit，剑桥处理单元）成立。
1979年：Acorn Computer 成立，从事个人计算机组装业务。
1985年：开发出 32 位、8 MHz 的 RISC 架构处理器，该芯片被称为 ARM（Acorn RISC Machine）。
1990年：
- 苹果公司出资 150 万英镑，VLSI 技术公司出资 25 万英镑。
- 12 名工程师加上技术专利共同创立 ARM 公司（Advanced RISC Machines）。
- ARM 公司本身不直接生产芯片，而是授权其技术并提供解决方案。
2016年：日本软银集团收购 ARM。

精简指令集 (RISC)：选择了一些较为简单且使用频率高的指令。
- 指令宽度固定，多为单周期指令。
- 例如，如果有一个加法运算器，则没有乘法运算器，计算 3 * 3 就需要通过 3 + 3 + 3 来实现。
复杂指令集 (CISC)：注重指令的功能性，指令周期和宽度不固定。

eg精简：可以编译后，用反汇编查看代码指令。

编译源代码：

arm-linux-gnueabi-gcc 1.c -o a.out

检查文件属性:

file a.out

反汇编 ELF 文件:

arm-linux-gnueabi-objdump -D a.out > a.dis

Cortex-A：针对高端的基于虚拟内存的操作系统和应用程序设计。
- 高通、联发科、海思、三星、飞思卡尔等公司的产品。
Cortex-R：针对实时系统的高性能解决方案。
- 例如汽车电子、照相机等。
Cortex-M：针对成本和功耗敏感的 MCU 和终端应用。
- 通常不运行操作系统，或者运行 RTOS 如 FreeRTOS、μC/OS-II、LiteOS 等。
- 意法半导体 (ST) 的 STM32 系列等。

ARM-v7 架构：32 位处理器
- char：8 位
- halfword：16 位
- word：32 位
- doubleword：64 位 (Cortex-A)
ARM-v8 架构：64 位处理器
- 向下兼容 32 位
- char：8 位
- halfword：16 位
- word：32 位
- doubleword：64 位 (Cortex-A)
- quadword：128 位 (ARM-v8)

ARM-v7 架构：
- ARM 指令集 (32 位)
- Thumb 指令集 (16 位)
ARM-v8 架构：
- 向下兼容 ARM-v7 架构
- ARM 指令集：A64, A32
- Thumb 指令集：T32, T16
- 不论是 A64 还是 A32，每条指令都占用 32 位空间。
- 不论是 T32 还是 T16，每条指令都占用 16 位空间。

ARM7 至 ARM11 有七种基本工作模式：
- User：非特权模式，大多数任务在此模式下执行。
- FIQ：当发生高优先级中断时进入该模式。
- IRQ：当发生低优先级中断时进入该模式。

FIQ和IRQ打断当前正在做的事去做其他的事情，做了再回来继续做自己的事情。鼠标键盘等都是这样实现的。（Linux内核会有中断，驱动写中断驱动代码）

（任务的切换会切入这个模式，权限最高的模式，刚启动的时候在这个模式下，权限高，可以做一些核心的操作。进行系统调用的时候会切换这个模式。）

保证不同任务每次调用同一个函数都是从头开始。

特定的模式拥有特定的权限,执行特定的代码,完成特定的功能

运算器：执行加法等运算。
控制器：控制指令执行流程。
寄存器：存储机器码，由 ARM 公司集成到 CPU 内部。
- A32：每个寄存器可以存储一个 32 位数据。
- A64：每个寄存器可以存储一个 64 位数据。

ARM7, ARM9, ARM11 有 37 个 32 位寄存器：
- 1 个作为 PC (program counter)。
- 1 个作为 CPSR (current program status register)。
- 5 个作为 SPSR (saved program status registers)。
- 30 个通用寄存器。
Cortex-A 系列 多出 3 个寄存器，共有 40 个 32 位寄存器：
- Monitor 模式的 r13_mon, r14_mon, spsr_mon。
R0-R15, CPSR, SPSR：由 ARM 公司提供的寄存器，每个都是 32 位宽。
- 这些寄存器没有物理地址，只有唯一的编号，通过编号可以访问相应的地址空间。
R13：栈指针寄存器 (stack pointer, sp)：存放栈顶地址。