计算机硬件基础ARM处理器概论（ARM体系结构与接口技术）
计算机硬件基础 D1
底层课程导学
| 1.编程基础 | 2.应用开发 （函数） | 3.底层开发 |
|---|---|---|
| C语言基础 | IO | ARM |
| C高级与linux | 进程 | 系统移植 |
| 数据结构 | 网络编程 | 驱动开发 |
嵌入式系统分层
- 操作系统的作用
向下管理硬件、向上提供接口（API)
- 应用开发
即使用系统提供的接口(API)，做上层应用程序的开发 - 底层开发
即做操作系统本身的开发
Linux层次结构
Linux子系统
- 进程管理（Process management）：管理进程的创建、调度、销毁等
- 内存管理(Memory management)：管理内存的申请、释放、映射等
- 文件系统(Filesystem support)：管理和访问磁盘中的文件
- 设备管理(Device control)：硬件设备及驱动的管理
- 网络协议(Networking)：通过网络协议栈(TCP、IP…)进行通信
ARM体系结构与接口技术课程导学
课程内容
| ARM体系结构 | 接口技术 |
|---|---|
| 存储模型 | GPIO |
| 工作模式 | PWM |
| 寄存器 | UART |
| 异常机制 | ADC |
| 流水线 | RTC |
| 指令集 | IIC |
学习方法
计算机基础知识
计算机的进制
逻辑1和0
在计算机中数据的存储、运算、传输都是以高低电平的方式
所以数字电路中用高、低电平来表示逻辑1和0
计算机的组成
- 输入设备
把其他信号转换成计算机能识别和处理的信号并送入计算机中
如键盘、鼠标、摄像头等 - 输出设备
把运算结果以人或其他设备所能接受的形式送出计算机外
如显示器、音响、打印机等 - 存储器
存储器是用来存储程序和数据的部件,是实现"存储程序控制"的基础
如内存、硬盘等 - 运算器
CPU中负责进行算数运算和逻辑运算的部件，其核心是算术逻辑单元ALU - 控制器
控制器是CPU的指挥中心,其控制着整个CPU执行程序的逻辑过程
总线
- 总线
总线是计算机中各个部件之间传送信息的公共通信干线, 在物理上就是一束导线按照其传递信息的类型可以分为数据总线、地址总线、控制总线- DMA总线
DMA(Direct Memory Access)即直接存储器访问，使用DMA总线可以不通过CPU直接在存储器之间进行数据传递
多级存储结构与地址空间
三级存储结构
- Cache
速度最快、价格最贵、容量最小、断电数据丢失、cpu可直接访问
存储当前正在执行的程序中的活跃部分,以便快速地向CPU提供指令和数据 - 主存储器
速度、价格、容量介于Cache与辅存之间、断电数据丢失、cpu可直接访问
存储当前正在执行的程序和数据 - 辅助存储器
速度最慢、价格最低、容量最大、断电数据不丢失、cpu不可直接访问
存储暂时不运行的程序和数据，需要时再传送到主存
地址空间
- 地址空间
一个处理器能够访问（读写）的存储空间是有限的,我们称这个空间为它的地址空间（寻址空间）,一般来说N位地址总线的处理器的地址空间是2的N次方
CPU工作原理概述
CPU工作原理
每执行一条指令后PC的值会自动增加指向下一条指令
指令的执行过程
- 一条指令的执行分为三个阶段
* 取址：
CPU将PC寄存器中的地址发送给内存，内存将其地址中对应的指令返回
到CPU中的指令寄存器（IR）
* 译码：
译码器对IR中的指令进行识别，将指令（机器码）解析成具体的运算
* 执行：
控制器控制运算器中对应的运算单元进行运算，运算结果写入寄存器- 每执行一条指令后PC的值会自动增加指向下一条指令
ARM处理器概论 D2
ARM处理器概述
ARM公司概述
- ARM的含义
ARM（Advanced RISC Machines）有三种含义
一个公司的名称、一类处理器的通称、一种技术- ARM公司
成立于1990年11月，前身为Acorn计算机公司
主要设计ARM系列RISC处理器内核
授权ARM内核给生产和销售半导体的合作伙伴，ARM公司并不生产芯片
提供基于ARM架构的开发设计技术软件工具、评估板、调试工具、应用软件
总线架构、外围设备单元等
ARM产品系列
- 早先经典处理器
包括ARM7、ARM9、ARM11家族- Cortex-A系列
针对开放式操作系统的高性能处理器
应用于智能手机、数字电视、智能本等高端运用- Cortex-R系列
针对实时系统、满足实时性的控制需求
应于汽车制动系统、动力系统等- Cortex-M系列
为单片机驱动的系统提供了低成本优化方案
应用于传统的微控制器市场、智能传感器、汽车周边等
RISC处理器
- RISC处理器
只保留常用的的简单指令，硬件结构简单，复杂操作一般通过简单指令的组合实现，一般指令长度固定，且多为单周期指令
RISC处理器在功耗、体积、价格等方面有很大优势，所以在嵌入式移动终端领域应用极为广泛
- CISC处理器
不仅包含了常用指令，还包含了很多不常用的特殊指令，硬件结构复杂，指令条数较多，一般指令长度和周期都不固定
CISC处理器在性能上有很大优势，多用于PC及服务器等领域
SOC
SOC(System on Chip)
即片上系统，将一个系统中所需要的全部部件集成在一个芯片中在体积、功耗、价格上有很大优势
ARM指令集概述
指令集
- 指令
能够指示处理器执行某种运算的命令称为指令（如加、减、乘 …）
指令在内存中以机器码（二进制）的方式存在
每一条指令都对应一条汇编
程序是指令的有序集合- 指令集
处理器能识别的指令的集合称为指令集
不同架构的处理器指令集不同
指令集是处理器对开发者提供的接口
ARM指令集
大多数ARM处理器都支持两种指令集：
- ARM指令集
所有指令（机器码）都占用32bit存储空间
代码灵活度高、简化了解码复杂度
执行ARM指令集时PC值每次自增4- Thumb指令集
所有指令（机器码）都占用16bit存储空间
代码密度高、节省存储空间
执行Thumb指令集时PC值每次自增2
编译原理
机器码（二进制）是处理器能直接识别的语言，不同的机器码代表不同的运算指令，处理器能够识别哪些机器码是由处理器的硬件设计所决定的，不同的处理器机器码不同，所以机器码不可移植
汇编语言是机器码的符号化，即汇编就是用一个符号来代替一条机器码，所以不同的处理器汇编也不一样，即汇编语言也不可移植
C语言在编译时我们可以使用不同的编译器将C源码编译成不同架构处理器的汇编，所以C语言可以移植
ARM存储模型
ARM数据类型
- ARM采用32位架构，基本数据类型有以下三种
| Byte | 8bits |
|---|---|
| Halfword | 16bits |
| Word | 32bits |
- 数据存储
- Word型数据在内存的起始地址必须是4的整数倍
- Halfword型数据在内存的起始地址必须是2的整数倍
注：即数据本身是多少位在内存存储时就应该多少位对齐
字节序
大端对齐
低地址存放高位，高地址存放低位
a = 0x12345678
小端对齐
低地址存放低位，高地址存放高位
a = 0x12345678
注：ARM一般使用小端对齐
ARM指令存储
处理器处于ARM状态时
所有指令在内存的起始地址必须是4的整数倍
PC值由其[31:2]决定，[1:0]位未定义
处理器处于Thumb状态时
所有指令在内存的起始地址必须是2的整数倍
PC值由其[31:1]决定，[0]位未定义
注：即指令本身是多少位在内存存储时就应该多少位对齐
ARM工作模式
ARM工作模式
**ARM有8个基本的工作模式
- User 用户模式、非特权模式，一般在执行上层的应用程序时ARM处于该模式
- FIQ 快速中断模式 当一个高优先级中断产生后ARM将进入这种模式
- IRQ 普通中断模式 当一个低优先级中断产生后ARM将进入这种模式
- SVC 超级用户模式 当复位或执行软中断指令后ARM将进入这种模式
- Abort 终止模式 当产生存取异常时ARM将进入这种模式
- Undef 指令未定义模式 当执行未定义的指令时ARM将进入这种模式
- System 系统模式 使用和User模式相同寄存器集的特权模式
- Monitor 监控模式 为了安全而扩展出的用于执行安全监控代码的模式**
工作模式的理解
- 不同模式拥有不同权限
- 不同模式执行不同代码
- 不同模式完成不同的功能
ARM工作模式分类
按照权限
User为非特权模式（权限较低），其余模式均为特权模式（权限较高）
按照状态
FIQ、IRQ、SVC、Abort、Undef属于异常模式，即当处理器遇到异常后
会进入对应的模式
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