從單片機(jī)轉(zhuǎn)到ARM —— ARM架構(gòu)基礎(chǔ)知識(shí)小結(jié)

從單片機(jī)轉(zhuǎn)到ARM，主要需要學(xué)習(xí)ARM的架構(gòu)，ARM相比單片機(jī)多了一些外設(shè)和總線。在僅僅是裸奔的情況下，如果熟悉了ARM架構(gòu)，那么可以認(rèn)為使用任何ARM架構(gòu)的芯片和用單片機(jī)將沒有區(qū)別。 ARM架構(gòu)之所以更復(fù)雜，當(dāng)然是為了跑更快以及更好地支持片上系統(tǒng)，所以在某種程度上來說對(duì)片上系統(tǒng)不是很了解的話那對(duì)于ARM架構(gòu)的理解也不會(huì)那么深。

ARM架構(gòu)基礎(chǔ)知識(shí)小結(jié)

通用寄存器

R13通常被用作棧指針，進(jìn)入異常模式時(shí)，可以將需要使用的寄存器保存在R13所指的棧中；當(dāng)退出異常程序時(shí)，將保存在R13所指的棧中的寄存器值彈出。R14又被稱為連接寄存器(LinkRegister，LR)，即PC的返回值。R15又被記作PC。ARM指令是字對(duì)齊的，PC的值的第0位和第1位總為0。也就是說是32位對(duì)齊。

就Cortex-M3來說，擁有R0-R15的寄存器組。其中R13作為堆棧指針SP。SP有兩個(gè)，分別為R13(MSP)和R13(PSP)即主堆棧指針(MSP)和進(jìn)程堆棧指針(PSP)，但在同一時(shí)刻只能有一個(gè)可以看到，這也就是所謂的“banked”寄存器。這些寄存器都是32位的。

ARM的各個(gè)模式

ARM有以下7種模式：

用戶模式(User，usr) ：正常程序執(zhí)行的模式

快速中斷模式(FIQ，fiq) ：用于高速數(shù)據(jù)傳輸和通道處理

外部中斷模式(IRQ，irq) ：用于通常的中斷處理

特權(quán)模式(Supervisor，svc) ：供操作系統(tǒng)使用的一種保護(hù)模式

數(shù)據(jù)訪問中止模式(Abort，abt) ：用于虛擬存儲(chǔ)及存儲(chǔ)保護(hù)

未定義指令中止模式(Undefined，und)：用于支持通過軟件以及硬件的協(xié)處理器

系統(tǒng)模式(System，sys) ：用于運(yùn)行特權(quán)級(jí)的操作系統(tǒng)任務(wù)

其中除了用戶模式之外都稱之為特權(quán)模式(privileged modes)，而在privileged modes中除了系統(tǒng)模式其它都稱為異常模式，即exception mode，意思是“這模式什么時(shí)候會(huì)發(fā)生不好說……”，比如說來了個(gè)外部中斷也會(huì)進(jìn)入異常模式，但是此時(shí)系統(tǒng)是運(yùn)行完好的。 其中SVC用于在系統(tǒng)剛啟動(dòng)的啟動(dòng)文件BOOT程序中，跳轉(zhuǎn)到kernel之前必須為SVC，SVC具有最高權(quán)限，可以對(duì)任何寄存器進(jìn)行操作。在裸機(jī)程序中我們有時(shí)候會(huì)一直處于SVC模式下。 關(guān)于什么時(shí)候會(huì)進(jìn)入用戶模式或者系統(tǒng)模式，比如進(jìn)入linux kernel之后會(huì)設(shè)置成sys模式，比如任務(wù)調(diào)度等等都會(huì)在sys模式中，而執(zhí)行用戶編寫的應(yīng)用程序時(shí)，系統(tǒng)是處于usr模式中。以上需要在linux中找出證據(jù)驗(yàn)證。 其中FIQ、IRQ為中斷模式，有中斷發(fā)生時(shí)會(huì)進(jìn)入FIQ模式或者IRQ模式，至于到底是進(jìn)入哪個(gè)模式是由開發(fā)者設(shè)定的。理論上FIQ模式的響應(yīng)速度比IRQ模式要快。 其中abt模式通常發(fā)生于在訪問地址沒有對(duì)齊時(shí)的情況，此時(shí)會(huì)跳轉(zhuǎn)到abt所屬的中斷向量地址中去。und模式應(yīng)該是取到指令之后發(fā)現(xiàn)指令不能用，此時(shí)會(huì)跳轉(zhuǎn)到abt所屬的中斷向量地址中去。

啟動(dòng)文件

這一部分只要了解一下協(xié)處理器CP15的相關(guān)作用以及ARM或者THUMB匯編再看一下網(wǎng)上的例程以及解釋應(yīng)該不難理解。在啟動(dòng)文件中我們可以做任何事情，但是通常我們可以做這些：改變程序大小端排序，關(guān)閉看門狗，屏蔽中斷，設(shè)置各個(gè)時(shí)鐘，設(shè)置從SLEEP或者IDLE啟動(dòng)時(shí)的程序，初始化SDRAM，設(shè)置各模式指向的堆棧，設(shè)置好中斷向量表，判斷是從NOR還是NAND FLASH啟動(dòng)，將文件拷到SDRAM中，運(yùn)行Main。以上也說明了為什么需要一個(gè)匯編寫的啟動(dòng)文件，設(shè)置各個(gè)模式下的SP指針以及初始化中斷向量的跳轉(zhuǎn)(ARM的中斷較多設(shè)置也較靈活)也只有匯編干比較合適了。甚至在SOC(片上系統(tǒng))中每個(gè)任務(wù)都有自己的堆棧，所以改變堆棧指針的那一部分程序也是放在匯編里做的。總之了解啟動(dòng)文件是一個(gè)非常好的切入點(diǎn)。

MMU

關(guān)于MMU，因?yàn)槎喾N存儲(chǔ)設(shè)備的物理地址不同以及不連貫性，將其地址安放在合理的連續(xù)虛擬地址上是很必要的，所以MMU出現(xiàn)了。MMU即將不同的地址放在合適的虛擬地址中，以便調(diào)度。比如要跑LINUX必須要有MMU的支持才行。

ARM920T的三種類型地址

虛擬地址(VA)、變換后的虛擬地址(MVA)、物理地址(PA)

以下是一個(gè)當(dāng)一個(gè)指令被請(qǐng)求時(shí)地址所做操作的例子：

1.指令VA（IVA）被ARM920T發(fā)出

2. 它被ProcID（當(dāng)前進(jìn)程所在的進(jìn)程空間塊的編號(hào)）轉(zhuǎn)換成指令MVA（IMVA），指令CACHE（ICACHE）和MMU看到的就是IMVA。

3. 如果在IMMU上的保護(hù)模塊確認(rèn)IMVA不會(huì)被中斷，并且IMVA標(biāo)簽也在ICACHE中，指令數(shù)據(jù)會(huì)讀出并返回到ARM920T內(nèi)核中。

4. 如果IMVA tag并不在ICACHE中，那么IMMU會(huì)產(chǎn)生出一個(gè)指令PA（IPA）。地址會(huì)給AMBA總線接口以獲取外部數(shù)據(jù)。

如何使用FCSEPID

920T內(nèi)核發(fā)出的地址都是0-32MB的范圍，4GB的逆序空間被分成了1238個(gè)進(jìn)程空間塊，每個(gè)進(jìn)程空間塊大小為32MB。每個(gè)進(jìn)程空間塊中可以包含一個(gè)進(jìn)程。系統(tǒng)128個(gè)進(jìn)程空間塊的編號(hào)0-127，編號(hào)為I的進(jìn)程空間塊中的進(jìn)程實(shí)際使用的虛擬地址空間為(I*0x02000000)到(I*0x02000000+0x01FFFFFF)。所以VA通常高7位都為0時(shí) MVA = VA |(PID << 25)。 　　 當(dāng)VA高7位不為0時(shí) MVA = VA，這種VA是本進(jìn)程用于訪問別的進(jìn)程中的數(shù)據(jù)和指令的虛擬地址，注意這時(shí)被訪問的進(jìn)程標(biāo)識(shí)符不能為0。

注意：當(dāng)FCSE_PID為0時(shí)，即當(dāng)前復(fù)位，則當(dāng)前920T和CACHES及MMU之間是平面映射的關(guān)系(很巧妙：))。

TLB是什么

TLB即translate look-aside buffer，快表就是存儲(chǔ)幾個(gè)常用的頁表，以提高系統(tǒng)運(yùn)行的速度。在更新頁表之前要使其無效，其操作的寄存器為R8，R8為只寫寄存器，如果讀它則會(huì)造成不可估計(jì)的后果。

AP賦值表

DOMAIN的賦值則是在C3中的，32bit共有16個(gè)域，每個(gè)域分兩個(gè)bit，這兩個(gè)bit控制當(dāng)前域的權(quán)限。而以上四個(gè)bit是為了選擇0-15個(gè)域的其中一個(gè)。

關(guān)于C、B賦值

以下有關(guān)于兩種寫緩存，寫通以及寫回。寫回法是指CPU在執(zhí)行寫操作時(shí)，被寫的數(shù)據(jù)只寫入cache，不寫入主存，僅當(dāng)需要替換時(shí)，才把已經(jīng)修改的cache塊寫回到主存中。寫通法是指CPU在執(zhí)行寫操作時(shí)，必須把數(shù)據(jù)同時(shí)寫入cache和主存。

AHB/APB是什么

AHB(AdvancedHigh performance Bus)，主要用于系統(tǒng)高性能、高時(shí)速速率模塊間通信。APB(AdvancedPeripheral Bus)，主要用于慢速片上外設(shè)與ARM核的通訊。AHB私有外設(shè)總線，只用于CM3內(nèi)部的AHB外設(shè)，它們是：NVIC，F(xiàn)PB,，DWT和ITM。APB私有外設(shè)總線，既用于CM3內(nèi)部的APB設(shè)備，也用于外部設(shè)備(這里的“外部”是對(duì)內(nèi)核而言)。CM3允許器件制造商再添加一些片上APB外設(shè)到APB私有總線上，它們通過APB接口來訪問。

四種耗電模式

NORMAL、SLOW、IDLE、SLEEP先配置主PLL MPLL給CPU用。在上電復(fù)位的時(shí)候PLL是不穩(wěn)定的，所以在PLLCON在被軟件配置之前Fin直接是跳過MPll給FCLK，所以不配置PLLCON也是可以正常工作。即使工作在正常狀態(tài)下，也可以對(duì)MPLLCON進(jìn)行配置，配置之后等待PLL Lock-time過后內(nèi)部各模塊的CLK才可以被正常供應(yīng)。