中信建设有限责任公司世界排名,宝应seo,十九冶成都建设网站,织梦做导航网站1、嵌入式处理器基础
典型的微处理器由控制单元、程序计数器#xff08;PC#xff09;、指令寄存器#xff08;IR#xff09;、数据通道、存储器等组成 。
指令执行过程一般分为#xff1a; 取指#xff1a; 从存储器中获得下一条执行的指令读入指令寄存器#xff1…1、嵌入式处理器基础
典型的微处理器由控制单元、程序计数器PC、指令寄存器IR、数据通道、存储器等组成 。
指令执行过程一般分为 取指 从存储器中获得下一条执行的指令读入指令寄存器 PC: 程序计数器, 总是指向下一条将要执行的指令 IR: 指令寄存器用于保持已取得指令如图 译码 解释指令决定指令的执行意义如图 执行 从存储器向数据通道寄存器移动数据 通过算术逻辑单元ALU进行数据操作如图 存储 从寄存器向存储器写数据。如图 在一些微处理器上如ARM系列处理器、DSP等指令实现流水线作业指令过程按流水线的数目来进行划分。如5级流水线的处理器将指令分5个阶段执行。
1按存储结构分冯·诺依曼体系结构和哈佛体系结构
冯·诺伊曼结构也称普林斯顿结构是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构。
处理器经由同一个总线传输来访问程序和数据存储器程序指令和数据的宽度相同。如X86系列、ARM7等如图 哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构目的是为了减轻程序运行时的访存瓶颈。哈佛结构的微处理器通常具有较高的执行效率。
Microchip公司的PIC系列芯片摩托罗拉公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列、ATMEL公司的AVR系列和ARM公司的ARM9、ARM10和ARM11 等。如图 按指令类型可分为复杂指令集CISC处理器和精简指令集RISC处理器 。
CISC复杂指令集Complex Instru
ction Set Computer
具有大量的指令和寻址方式那么就需要更多的解释器。
8/2原则80%的程序只使用20%的指令
大多数程序只使用少量的指令就能够运行。
CISC具有如下显著特点
(1) 指令格式不固定指令长度不一致操作数可多可少
(2) 寻址方式复杂多样以利于程序的编写
(3) 采用微程序结构执行每条指令均需完成一个微指令序列
(4) 每条指令需要若干个机器周期才能完成指令越复杂花费的机器周期越多。 RISC精简指令集Reduced Instruction Set Computer)指令数目少在通道中只包含最有用的指令执行时间短确保数据通道快速执行每一条指令使CPU硬件结构设计变得更为简单每条指令都采用标准字长。 资料直通车Linux内核源码技术学习路线视频教程内核源码 学习直通车Linuxc/c高级开发【直播公开课】 零声白金VIP体验卡零声白金VIP体验卡含基础架构/高性能存储/golang/QT/音视频/Linux内核 2、ARM处理器体系架构
ARM即Advanced RISC Machines的缩写。
1985年4月26日第一个ARM原型在英国剑桥的Acorn计算机有限公司诞生。 20世纪80年代后期ARM很快开发成Acorn的台式机产品形成英国的计算机教育基础。
1990年成立了Advanced RISC Machines Limited。
20世纪90年代ARM32位嵌人式RISCReduced Instruction Set Computer处理器扩展到世界范围占据了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系统应用领域的领先地位。
目前己经占有75%以上的32位嵌入式产品市场。
32位RISC处理器受到青睐领先的是ARM嵌入式微处理器系列。
ARM公司虽然只成立20多年但在1999年因移动电话火爆市场其32位RISC处理器占市场份额超过了50%2001年初ARM公司的32位RISC处理器市场占有率超过了75%。ARM公司是知识产权供应商是设计公司。由合作伙伴公司来生产各具特色的芯片。
ARM处理器特点
1ARM指令是32位定长的除AArch64架构部分增加指令为64位外 2寄存器数量丰富37个寄存器 3普通的Load/Store指令 4多寄存器的Load/Store指令 5指令的条件执行 6单时钟周期中的单条指令完成数据移位操作和ALU操作 7通过变种和协处理器来扩展ARM处理器的功能 8扩展了16位的Thumb指令来提高代码密度 ARM的命名规则, 大致分成两类类 基于ARM Architecture版本的“处理器系列”命名规则 基于ARM Architecture版本的“处理器型号”命名规则。 ARMv6 架构引进了包括单指令多数据(SIMD)运算在内的一系列新功能。 ARMv6-M 架构为低成本、高性能设备而设计向以前由8位设备占主导地位的市场提供32位功能强大的解决方案。如Cortex™-M0和Cortex-M1。 ARMv7架构所有ARMv7架构处理器都实现了Thumb-2 技术一个经过优化的16/32位混合指令集此架构分为3类处理器Cortex-A -应用处理器、Cortex-R - 实时处理器、Cortex-M - 微控制器。 ARMv8架构ARMv8-A将64位体系结构支持引入ARM体系结构中其中包括64位通用寄存器、SP堆栈指针和 PC程序计数器64位数据处理和扩展的虚拟寻址兼容32位处理。 ARMv9架构最重大的升级在于AI和安全在兼容ARMv8的基础上提升了安全性增加了矢量计算、机器学习和数据信号处理等多方面能力性能表现也将得到极大幅度的提升。1ARM数据类型 1双字节Double-Word64位 2字Word在ARM体系结构中字的长度为32位。 3半字Half-Word在ARM体系结构中半字的长度为16位。 4字节Byte在ARM体系结构中字节的长度为8位。 2ARM处理器存储格式 作为32位的微处理器ARM体系结构所支持的最大寻址空间为4GB。 ARM体系结构可以用两种方法存储字数据分别为大端模式和小端模式。 大端模式高地高低字的高字节存储在低地址字节单元中字的低字节存储在高地址字节单元中。 3ARM处理器工作状态 从编程的角度来看ARM微处理器的工作状态一般ARM和Thumb有两种并可在两种状态之间切换。 1ARM状态此时处理器执行32位的字对齐ARM指令绝大部分工作在此状态。
2Thumb状态此时处理器执行16位的半字对齐的Thumb指令。 THUMB指令的特点 THUMB代码所需空间为ARM代码的70% THUMB代码所使用的指令数比ARM代码多40% 用32位存储器ARM代码比THUMB代码快40% 用16位存储器THUMB代码比ARM代码快45% 使用THUMB代码外部存储器功耗比ARM代码少30%4ARM处理器工作模式 5ARM Cortex-A处理器工作模式 6 Cortex-A寄存器组 34个通用寄存器包括各种模式下的R0-R14和共用的R15程序计数器(PC)这些寄存器都是32位的。8个状态寄存器Hyp模式独有一个ELR_Hyp寄存器。 7程序状态寄存器CPSR和SPSR 和其他处理器一样ARM有程序状态存储器来配置处理器工作模式和显示工作状态。ARM处理器有两个程序状态寄存器CPSR Current Program Status Register当前程序状态寄存器和SPSR Saved Program Status Register备份的程序状态寄存器。 CPSR可在任何运行模式下被访问它包括条件标志位、中断禁止位、当前处理器模式标志位以及其他一些相关的控制和状态位。 每一种运行模式下都有一个专用的物理状态寄存器称为SPSR为状态寄存器。 1NNegative当用两个补码表示的带符号数进行运算时N1表示结果为负N0表示结果为正数或零 2ZZeroZ1表示运算结果为0Z0表示运算结果非零 3CCarry有4种方法可以设置C的值 1加法指令包括比较指令CMP 2当运算产生进位时无符号数溢出C1否则C0 3减法运算包括比较指令CMP 4当运算产生了借位无符号数溢出C0否则C1 对于包含移位操作的非加/减运算指令C为移出值的最后一位。对于其他的非加/减运算指令C的值通常不变。 4VOverflow有2种方法设置V的值 1对于加/减法运算指令当操作数和运算结果为二进制的补码表示的带符号数时V1表示符号位溢出。 2对于其他的非加减法运算指令V的值通常不变。 5IInterrupt RequestI1表示禁止响应irqI0表示允许响应 6FFast Interrupt RequestF1表示禁止响应fiqF0表示允许响应 7TThumbT0表示当前状态位ARM状态T1表示为Thumb状态 8M4-M0表示当前处理器的工作模式 8工作模式的切换条件 1执行软中断SWI或复位命令Reset指令。如果在用户模式下执行SWI指令CPU就进入管理Supervisor模式。 2有外部中断发生。如果发生了外部中断CPU就会进入IRQ或FIQ模式。 3CPU执行过程中产生异常。最典型的异常是由于MMU保护所引起的内存访问异常此时CPU会切换到Abort模式。如果是无效指令则会进入Undefined模式。 4有一种模式是CPU无法自动进入的这种模式就是System模式要进入System模式必须由程序员编写指令来实现。要进入System模式只需改变CPSR的模式位为System模式对应的模式位即可。 5在任何特权模式下都可以通过修改CPSR的MODE域来进入其他模式。不过需要注意的是由于修改的CPSR是该模式下的影子CPSR即SPSR因此并不是实际的CPSR所以一般的做法是修改影子CPSR然后执行一个MOVS指令来恢复执行某个断点并切换到新模式。
3、ARM处理器内存管理1什么是内存映射
内存映射指的是在ARM存储系统中使用内存管理单元(MMU)实现虚拟地址到实际物理地址的映射如图所示。 2为什么要内存映射
A32架构的ARM的地址总线为32位故CPU可寻址范围为0x00000000~0xffffffff寻址空间为4GB所有的内部和外部存储或者外设单元都需要通过对应的地址来操作不同芯片外设的种类数量寻址空间都不一样为了能让内核更方便的管理不同的芯片设计ARM内核会先给出预定义的存储映射。
芯片设计公司需要根据内核提供的预定义的存储器映射来定义芯片内部外设和外部的保留接口这样做的好处是极大地减少了同一内核不同芯片间地址转化的麻烦CPU操作统一的虚拟地址实际物理地址交由MMU管理。 3位带操作
1什么是位带操作 举个简单的例子在使用51单片机操作P1.0为低电平时我们知道这背后实际上就是往某个寄存器某个比特位中写1或0的过程但在CPU操作的过程中每一个地址所对应的都是一个8位字节怎么实现对其中某一位的直接操作这就需要位带操作的帮助。 2哪些地址可以进行位带操作 上图中有两个区中实现了位带。其中一个是 SRAM 区的最低 1MB 范围Bit band region第二个则是片内外设区的最低 1MB 范围。4寄存器的地址计算 在ARM中所有的外设地址基本都是挂载在AHB或者APBx总线上因此我们往往采用基地址偏移地址结构体的方式来快速明了计算某一外设具体寄存器的地址如图所示。 5集成外设寄存器访问方法 原文作者面包板社区
