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嵌入式Linux ARM匯編（一）——ARM體系結構

一、ARM簡介

ARM是全球領先的半導體知識產權 (IP) 提供商Advanced RISC Machine，是專門從事基於RISC 技術芯片設計開發的公司，ARM 的商業模式主要涉及 IP 的設計和許可，而非生產和銷售實際的半導體芯片。作為知識產權供應商，本身不直接從事芯片生產，靠轉讓設計許可由合作公司生產各具特色的芯片，世界各大半導體生產商從ARM公司購買其設計的ARM 微處理器核，根據各自不同的應用領域，加入適當的外圍電路，從而形成自己的ARM 微處理器芯片進入市場。在全世界有幾十家大的半導體公司都使用ARM 公司的授權，因此既使得ARM 技術獲得更多的第三方工具、制造、軟件的支持，又使整個系統成本降低，使產品更容易進入市場被消費者所接受，更具有競爭力。
ARM設計了大量高性價比、耗能低的RISC處理器、相關技術及軟件，技術具有性能高、成本低和能耗省的特點，智能機、平板電腦、嵌入控制、多媒體數字等處理器領域擁有主導地位。全世界超過95%的智能手機和平板電腦都采用ARM架構。2014年基於ARM技術的全年全球出貨量是120億顆，從誕生到現在為止基於ARM技術的芯片有600億顆。
ARM體系結構的基本版本：
版本
版本變種
系列號
處理器核
V1
V1
ARM1
ARM1
V2
V2
ARM2
ARM2
V2a
ARM2aS
ARM3
ARM3
V3
V3
ARM6
ARM6、ARM600、ARM610
ARM7
ARM7、ARM700、ARM710
V4
V4T
ARM7TDMI、ARM710T、ARM720T、ARM740T
V4T
ARM9
ARM9TDMI、ARM920T、ARM940T
V5
V5TE
ARM9E-S
V6
V6
ARM11
ARM11、ARM11562-S、ARM1156T2F-S、ARM11JZF-S
V7
V7
ARM Cotex
ARM Cotex-A8、ARM Cotex-R4、ARM Cotex-M3

二、計算機體系結構

1、馮.諾依曼體系結構

馮.諾依曼體系結構的特點：
A、處理器使用同一個存儲器，經由同一個總線傳輸B、完成一條指令需要3個步驟：即取指令->指令譯碼->執行指令C、指令和數據共享同一總線的結構

2、哈佛體系結構

哈佛體系結構的特點：A、將程序指令存儲和數據存儲分開 B、中央處理器首先到程序指令存儲器中讀取程序指令。解碼後到數據地址，再到相應的數據存儲器讀取數據，然後執行指令 C、程序指令存儲與數據存儲分開，可以使指令和數據有不同的數據寬度。ARM7采用馮.諾依曼體系結構，ARM9采用哈佛體系結構

三、復雜指令集與精簡指令集

1、 CISC 復雜指令集

CISC 復雜指令集：采用馮.諾依曼體系結構，數據線和指令線分時復用。存儲器操作指令多，匯編程序相對簡單，指令結束後響應中斷，CPU電路設計復雜，面積大，功耗大。

2、RISC 精簡指令集

RISC 精簡指令集：采用哈佛體系結構。數據線和指令線分離。對存儲器操作有限，匯編程序占空間大，在適當地方響應中斷， CPU電路較少，體積小功耗低。ARM采用RISC精簡指令集。

四、ARM處理器模式

為了和操作系統更好地適配，ARM Cortex A-8處理器有九種工作模式。

ARMV7體系結構支持的9種處理器模式分別為：用戶模式、快中斷模式、中斷模式、管理模式、中止模式、未定義模式和系統模式，監視模式，軟中斷模式。

1、ARM的指令集

ARM有三種指令集：ARM、Thumb、Thumb32。Thumb是ARM體系結構中一種16位的指令集。從ARMv4T之後的ARM處理器有一種16-bit指令模式，叫做Thumb，較短的指令碼提供整體更佳的編碼密度，更有效地使用有限的內存帶寬。所有 ARM9 和後來的家族，包括 XScale 都納入了 Thumb 技術。Thumb32兼容16位和32位指令。ARM為32位指令。
在不犧牲性能的同時，盡量簡化處理器。同時從體系結構上靈活支持處理器擴展。采用RISC結構。RISC處理器簡化了處理器結構，減少復雜功能指令的同時，提高了處理器速度。

2、ARM的流水線結構

ARM處理器使用流水線來增加處理器指令流的速度，這樣可以使幾個操作同時進行。並使處理和存儲器系統連續操作。

arm處理器分為三級：取指->譯碼->執行
取指：指令從存儲器中取出
譯碼：對指令使用的寄存器進行譯碼
執行：從寄存器組中讀取寄存器，執行移位和ALU操作，寄存器被寫回到寄存器組中

3、ARM處理器支持的類型

字節 8位
半字 16位
字 32位
ARM處理器的所有數據操作都以字為單位，ARM指令的長度剛好是一個字，Thumb指令長度剛好是半個字。

4、ARM處理器狀態

ARM處理器內核使用ARM結構，該結構包含32位的ARM指令集和16位Thumb指令集，因此ARM有兩種操作狀態
ARM狀態：32位
Thumb狀態：16位

5、ARM處理器的寄存器

寄存器是中央處理器內的組成部份。寄存器是有限存貯容量的高速存貯部件，用來暫存指令、數據和位址。在中央處理器的控制部件中，包含的寄存器有指令寄存器(IR)和程序計數器(PC)，在中央處理器的算術及邏輯部件中，包含的寄存器有累加器(ACC)。
IR 用於存儲指令
PC 用於存儲程序運行的地址（即當前指令在內存中的位置）
寄存器是由一個指令的輸出或輸入可以直接索引到的暫存器群組。所有的計算機指令都是進入寄存器後被直接讀取。
ARM的匯編編程，本質上就是針對CPU寄存器的編程。
ARM寄存器分為2類：普通寄存器和狀態寄存器
ARM A-8處理器各工作模式下的寄存器：

ARM A-8處理器共有43個寄存器。普通寄存器34個，狀態寄存器9個。USR/SYS共用一組寄存器。
R13(SP) 棧指針寄存器用於存放堆棧的棧頂地址。
SP相當於指針變量，保存的是棧頂的地址，出棧時，從SP指向的內存中取出數據，入棧時將新的內存地址壓入棧頂，而SP相當於鏈表的頭指針(head)。
R14(LR) 鏈接寄存器存放子程序的返回地址。
例如：在主函數內，如果調用子函數，程序會進入到子函數內執行。當子函數執行完畢後，需要回到主函數內，所以在子函數調用前需要將這個地址先保存起來，否則無法找到這個地址。LR用於保存這個地址，這個地址也稱為子程序返回地址。當子函數結束後，再將LR內的地址賦給PC即可。
R15(PC) 程序計數器它的值是當前正在執行的指令在內存中的位置。
當指令執行結束後，CPU會自動將PC值加上一個單位，PC值指向下一條即將執行的指令的地址。如果通過匯編指令對PC寄存器賦值，就會完成一次程序的跳轉（如從子函數跳轉回主函數內）。
寄存器R16用作CPSR(當前程序狀態寄存器)，CPSR可在任何運行模式下被訪問，它包括條件標志位、中斷禁止位、當前處理器模式標志位，以及其他一些相關的控制和狀態位。每一種運行模式下又都有一個專用的物理狀態寄存器，稱為SPSR（備份的程序狀態寄存器），異常發生時，SPSR用於保存CPSR的值，從異常退出時則可由SPSR來恢復CPSR。由於用戶模式和系統模式不屬於異常模式，他們沒有SPSR，當在這兩種模式下訪問SPSR，結果是未知的。
程序狀態寄存器CPSR：

各bit代表的意義如下：
M[4:0]：處理器模式
T bit：是否支持Thumb指令
F bit：是否禁止FIQ
I bit：是否禁止IRQ
A bit：是否禁止異步中止
E bit：存儲順序
IT bit：是否在支持Thumb-2指令集中的if...then條件執行
GE bit：用於某些SIMD指令
J bit：是否支持Jazelle
Q bit：是否運算溢出
V bit：ALU是否溢出
C bit：ALU是否進位
Z bit：ALU結果是否為0
N bit：ALU結果是否為負
M0至M4表示處理器工作模式（控制位內的模式位）
0b10000 User 用戶模式
0b10001 FIQ 快速中斷模式
0b10010 IRQ 外部設備產生的中斷模式
0b10011 Supervisor 管理模式
0b10111 Abort 異常模式
0b11011 Undefined 未定義模式
0b11111 System 系統模式