10 ARM 体系
- ARM体系
- 1、基本概念
- 1.1 常见的处理器
- 1.2 ARM7三级指令流水线
- 1.3 初识PC寄存器
- 2、 ARM核的七种工作模式
- 3、ARM核七种异常
ARM体系
1、基本概念
1.1 常见的处理器
PowerPC处理器:飞思卡尔MPC系列
DSP:TI达芬奇系列
FPGA:Xilinx赛灵思的ZYNQ系列
ARM:消费类电子:高通,华为,全志
汽车电子:飞思卡尔
网络:博通,Mavell
工控:Atmel
单片机:51,msp430,stm32(低端ARM处理器)
1.2 ARM7三级指令流水线
- 概念:
流水线:目的提高运算处理的能力
指令:给CPU下发的命令,CPU根据不同的命令做不同的数据运算,存在于编译好的二进制可执行文件中,并且是一条一条指令堆积而成,如果将二进制可执行文件下载到内存中运行,那么每条指令必然有对应的内存存储地址,例如:tftp 0x48000000 shell.bin,那么第一条指令的起始地址就是0x48000000
问:后续的指令,例如第二条指令他们的地址分别是多少呢?
答:这与ARM处理器的工作状态有关系,ARM有两种工作状态:
ARM状态:每条指令的长度是4字节大小,也就是说将来每条指令占用4字节内存大小,所有后续的指令地址依次加4,例如:第二条指令的首地址就是0x48000004
Thumb状态:每条指令的长度是2字节大小,也就是说将来每条指令占用2字节内存大小,所有后续的指令地址依次加2,例如:第二条指令的首地址就是0x48000002
所以每当go 0x48000000,那么CPU就会跑到0x48000000这个地址取出每条指令挨个运行!所谓的三级指令流水线就是CPU核处理一条指令不会一次性处理完毕,而是分成三步骤来处理! - 三步骤:
- 取指F:CPU核内部的取指器硬件单元从内存中获取指令
- 解码D:由CPU核内部的解码器硬件单元对指令进行翻译,翻译成CPU能够识别的命令
- 执行E:CPU核正式处理该指令
1.3 初识PC寄存器
PC寄存器是ARM核内部的一个寄存器,也是用来暂存数据, 此寄存器永远只能存储当前要取的那条指令的内存地址
例如:前提是ARM核处于ARM状态
内存存储地址 指令
0x8000 add加法指令
0x8004 sub减法指令
0x8008 and位与指令
注意:CPU核处理是从上往下跑
当取add这条指令时,PC寄存器的值=0x8000
问:当add指令执行的时候,PC寄存器的值=0x8008
2、 ARM核的七种工作模式
工作模式 | 切换场景 |
---|---|
SVC管理模式 | 系统复位或者代码调用swi/svc指令 |
FIQ中断模式 | 外设给CPU核发送FIQ中断电信号 |
IRQ中断模式 | 外设给CPU核发送IRQ中断电信号 |
Abort中止模式 | 取指F失败(指令没有)或者访问M失败(地址无权限) |
Undef未定义指令模式 | CPU处理一个不认识的指令,例如:lisi |
System系统模式/User用户模式 | 一般应用程序正常运行时,CPU就是处于User用户模式 |
ARM寄存器总共有37个,每个寄存器大小为32位,4字节,又细分为31个通用寄存器和6个程序状态寄存器;
31个通用寄存器的名称:r0,r1,r2…r15不区分大小写
其中:
r13又称sp:永远只能保存栈指针
r14又称lr:永远只能保存返回地址(bl指令和中断)
r15又称pc:永远只能存储取指器要取的那条指令的内存存储地址
r0,r1…r12:剩余寄存器随意存储数据
6个程序状态寄存器又分:
1个cpsr:保存当前程序运行的状态信息
5个spsr:备份cpsr的值,保存cpsr,分别是:spsr_svc,spsr_undef,spsr_irq,spsr_fiq,spsr_abort
3、ARM核七种异常
明确:异常:并不是所有的异常都是不好的,有问题的,有些异常非常棒非常好,当然了有些异常很糟糕!
前提:假设CPU一开始在0x48000000这个内存地址运行(go 0x48000000),就在此时此刻触发以下异常:
异常 | CPU核要切换到的模式 | CPU核立马要跳转到的地址 | 触发场景 |
---|---|---|---|
复位异常 | SVC管理模式 | 0x00 | 系统复位 |
Undef未定义指令异常 | Undef未定义指令模式 | 0x04 | CPU核执行一个非法指令 |
软中断异常 | SVC管理模式 | 0x08 | 代码调用swi/svc指令 |
取指异常 | Abort终止模式 | 0x0C | 取指F失败 |
数据处理异常 | Abort终止模式 | 0x10 | 访存M失败 |
IRQ中断异常 | IRQ中断模式 | 0x18 | 外设给CPU核发送IRQ中断 |
FIQ中断异常 | FIQ中断模式 | 0x1C | 外设给CPU核发送FIQ中断 |
ARM核异常处理的流程 | |||
明确:CPU核一旦触发异常,必须立马处理异常 | |||
前提:一开始CPU核很安静的执行一个QT程序,突然CPU核触发了某种异常,CPU核一旦触发异常,立马开启异常的处理: | |||
首先CPU核硬件上自动做四件事: | |||
1.备份当前被打断的QT程序的cpsr到要切换到的模式下的spsr,即:spsr_mode=cpsr | |||
2.设置cpsr |
bit\[4:0\]=xxxxx 表示设置CPU核将来要切换到的工作模式对应的模式位的值,实现工作模式的切换
bit\[5\]=0,强制CPU核切换到ARM状态
bit\[6\]=1,禁止CPU核以后响应FIQ中断信号
bit\[7\]=1,禁止CPU核以后响应IRQ中断信号
3.保存返回地址到要切换到的工作模式下的lr寄存器中(异常处理完毕将来还要回来的,所以要保存返回地址啊)
即:lr_mode = pc - 4 (硬件自动将pc的值减4保存到lr_mode中,注:mode表示要切换到的工作模式,pc此时还在QT程序中)
问:为何pc-4呢?
答:
此时CPU还在QT中运行,对应的汇编代码如下:
指令 内存地址
add 0x48000000
sub 0x48000004
and 0x48000008
… …
当CPU核执行add时,触发了某种异常,CPU核势必要处理异常,将来处理完毕异常还要进行返回,重新返回到QT程序中运行,只需要返回到sub指令即可继续向下运行,也就是只需将sub指令的地址保存到lr_mode中即可:
lr_mode=0x48000004=pc-4=0x48000008 - 4
4.设置pc为某个异常处理的入口地址,即:pc=0x00/0x04/0x08/0x0c/0x10/0x18/0x1c
切记:只要给pc赋值,就是让CPU核立马跑到这个地址去运行指令,就是取指运行
例如:pc=0x1c,就是让CPU核跑到0x1C地址去取指运行指令
pc=uart_init(函数名就是函数的首地址),就是让CPU核跑到uart_init函数去执行
只要咱们前期在这些异常的处理入口地址的地方埋伏好相关的代码,不就是让CPU核继续执行咱们埋伏好的代码吗?这不就是开启了软件进一步处理异常的流程了吗?
例如:触发一个IRQ中断,此时CPU核就会跑到0x18地址去运行埋伏好的代码!
开启软件进一步处理异常,同样四步骤:
1.提前建立异常向量表
问:如何在七种异常的入口地址放置(埋伏)或者关联对应的软件代码呢?
答:目的是将来异常发生,最终让CPU核能够执行处理到对应的异常处理代码,关联的方法就是通过链接器(arm…ld)搞定,链接器在链接的时候就是从文件的开头依次向下,会给每条指令都指定一个地址,见一条指令一个地址,见一条指令一个地址
vim start.s
.text @告诉链接器,代码段从这里开始
.code 32 @汇编指令采用的时arm
.global _start @ global:声明一个全局函数
_start:
b reset @b指令的功能不带返回的跳转指令(一去不复返),跳转到reset标签继续运行
b undef_function
b svc_function
b fetch_abort_function
b data_abort_function
b . @ b . 表示死循环
b irq_function
b fiq_function
reset: @reset标签相关代码
mov r0, #0
...
undef_function:
mov r1, #1
...
...
irq_function:
mov r0, #0
mov r1, #1
mov r2, #2
bl do_irq
...
交叉编译:
arm...as -c -o start.o start.s //用汇编器将汇编文件生成目标文件start.o
arm...ld ... -Ttext=0x00 -o start.elf start.o //链接,注:代码段从0x00地址开始链接
链接的结果是:
地址 指令
0x00 b reset
0x04 b undef_function
0x08 b svc_function
0x0c b fetch_abort_function
0x10 b data_abort_function
0x14 b . @占坑
0x18 b irq_function
0x1c b fiq_function
...
例如:将来外设UART控制器给CPU核发送一个IRQ中断信号,最终CPU核跑到0x18地址不就是运行,咱们埋伏好的代码:b irq_function这条指令嘛,最终去执行irq_function标签里面的各种代码,开启软件处理IRQ中断异常的流程
结论:最终形成了8行2列的表格,此表又称异常向量表!
2.保护现场
一旦CPU核跑到异常入口地址执行对应的指令(b xxxxx),此指令对应的标签(xxx_function)对应的代码中首先要做保护现场的工作
问:为何要保护现场呢?
答:概念:就是将被打断的程序(例如QT程序)使用的ARM寄存器(r0~r15)的数据备份保存到栈(就是内存)中,保护现场又称压栈保护(push stack)
举例子阐述为何要备份:
一开始CPU核很安静的执行QT程序(运行的地址例如0x48000000),并且QT程序的汇编代码如下:
mov r0, #100
mov r1, #101
mov r2, #102
…
此时此刻突然UART控制器给CPU核发送一个IRQ中断信号,立马触发IRQ中断异常,CPU核最终跑到0x18地址运行: b irq_function这条指令,而这条指令最终跳转到irq_function标签继续运行,而这个标签里面的汇编代码如下:
irq_function:
mov r0, #0
mov r1, #1
mov r2, #2
…
显然IRQ中断处理的汇编代码把原先QT程序使用的ARM寄存器值进行了修改,将来CPU核再回到QT程序继续运行时势必出错,所以CPU核执行irq_function标签的代码的时候首先做的第一件事就是保护现场,把QT程序使用的ARM寄存器值r0=100…备份到内存中,将来IRQ中断处理代码随意修改,不怕了,反正有备份!
最终:irq_function标签的代码如下:
irq_function:
@1.先保护现场,然后后面对ARM寄存器为所欲为
mov r0, #0
mov r1, #1
mov r2, #2
....
3.一旦现场保护完毕,软件就可以根据用户需求完成对异常的最终处理
专业叫法:调用异常处理函数
例如:触发IRQ中断异常,实现开关灯操作:
irq_function:
@1.保护现场
@2.根据用户需求完成开关灯操作,例如:代码如下:
mov r0, #0
mov r1, #1
mov r2, #2
....
bl led_on @调用开灯函数
bl delay @调用延时函数
bl led_off @调用关灯函数
bl delay @调用延时函数
...
4.一旦异常处理完毕,异常处理函数调用完毕,最后让CPU核再回到原先被打断的QT程序继续运行,此过程做三件事:恢复现场,程序状态恢复,跳转返回
恢复现场:又称出栈恢复,将之前栈用保存的QT数据重新恢复到ARM寄存器中供QT使用
例如:r0=100,r1=101,r2=102
程序状态恢复:将之前备份到spsr_mode中的QT的cpsr的值重新恢复到cpsr中供QT使用,cpsr=spsr_mode
跳转返回:就是将之前保存的返回地址直接给pc即可,让CPU核重新回到QT程序继续运行,pc=lr_mode至此一次异常处理完毕!
例如:IRQ中断异常为例,其irq_function标签的代码参考如下:
irq_function:
@1.保护现场(QT中的ARM寄存器值保存到栈中)
@2.根据用户需求完成开关灯操作
mov r0, #0
mov r1, #1
mov r2, #2
....
bl led_on @调用开灯函数
bl delay @调用延时函数
bl led_off @调用关灯函数
bl delay @调用延时函数
....
@3.软件最后处理三步骤:
@3.1.恢复现场(将栈中保存的数据恢复到ARM寄存器中),供QT使用
@3.2.状态恢复:cpsr = spsr_irq,供QT使用
@3.3.跳转返回:pc = lr_irq = QT程序的某个地址,至此IRQ中断异常处理完毕,CPU核又回到了QT程序继续运行,静静地带着下一次异常的触发和处理!
ARM异常处理流程的终极总结:
ARM核硬件上自动做四件事:
1.备份cpsr:spsr_mode=cpsr
2.设置cpsr:cpsr[7:0]=110xxxxx
3.保存返回地址:lr_mode=pc-4
4.设置pc=0x00/0x04/0x08/0x0c/0x10/0x18/0x1c,开启软件的处理四步骤
软件处理的四件事:
1.提前建立异常向量表
2.保护现场
3.根据用户需求调用异常处理函数
4.恢复现场,状态恢复(cpsr=spsr_mode),跳转返回(pc=lr_mode)