深度剖析Linux内核（ARM体系结构）

一、ARM处理器简介及RISC特点

1、ARM处理器简介：

　　ARM（Advanced RISC Machines）是一个32位RISC（精简指令集）处理器架构，ARM处理器则是ARM架构下

的微处理器。ARM处理器广泛的使用在许多嵌入式系统。ARM处理器的特点有指令长度固定，执行效率高，低成本等。

２、RISC设计主要特点：

　　（１）指令集——RISC减少了指令集的种类，通常一个周期一条指令，采用固定长度的指令格式，编译器或程序员通过几条指令完成一个复杂的操作。而CISC指令集的指令长度通常不固定；

　　（２）流水线——RISC采用单周期指令，且指令长度固定，便于流水线操作执行；

　　（３）寄存器——RISC的处理器拥有更多的通用寄存器，寄存器操作较多。例如ARM处理器具有37个寄存器；

　　（４）Load/Store结构——使用加载/存储指令批量从内存中读写数据，提高数据的传输效率；

　　（５）寻址方式简化，指令长度固定，指令格式和寻址方式种类减少。

二、Arm的基本数据类型：

　　双字节（DoubleWord）：64位

　　字（Word）：在ARM体系结构中，字的长度为32位。

　　半字（Half-Word）：在ARM体系结构中，半字的长度为16位。

　　字节（Byte）：在ARM体系结构中，字节的长度为8位。

三、ARM处理器存储格式：

　　ARM体系结构将存储器看作是从0地址开始的字节的线性组合。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。

　　小端模式（高高低低）：字的高字节存储在高地址字节单元中，字的低字节存储在低地址字节单元中。

四、内核的工作模式：

　　1、用户模式（user）：正常程序执行模式；

　　2、快速中断模式（FIQ）：高优先级的中断产生会进入该种模式，用于高速通道传输；

　　3、外部中断模式（IRQ）：低优先级中断产生会进入该模式，用于普通的中断处理；

　　4、特权模式（Supervisor）：复位和软中断指令会进入该模式；

　　5、数据访问中止模式（Abort）：当存储异常时会进入该模式；

　　6、未定义指令中止模式（Undefined）：执行未定义指令会进入该模式；

　　7、系统模式（System）：用于运行特权级操作系统任务；

　　8、监控模式（Monitor）：可以在安全模式和非安全模式之间切换；

五、ARM9的5级流水线：

１、流水线的执行顺序：取指令->译码->执行->缓冲/数据->回写

　　（１）取指令（Fetch）：从存储器读取指令；

　　（２）译码（Decode）：译码以鉴别它是属于哪一条指令；

　　（３）执行（Execute）：将操作数进行组合以得到结果或存储器地址；

　　（４）缓冲/数据（Buffer/data）：如果需要，则访问存储器以存储数据；

　　（５）回写：（Write-back）：将结果写回到寄存器组中；

２、影响流水线性能的因素：

（１）互锁：

　　不同的指令顺序也会造成时钟周期的不同，比如一条指令的执行需要前一条指令执行的结果，如果这时结果

　　还没出来，那就需要等待，这就是流水线互锁：

　　　　　　LDR r1, [r2, #4]

　　　　　　ADD r0, r0, r1 //r1的值需要等到LDR的结果

（２）跳转指令：

　　跳转指令也会破坏流水线的行为，后续指令的取值步骤受到跳转目标的影响。

３、寄存器组织：

（１）ARM Cortex-A8处理器有40个32位长的寄存器：

　　　　ａ、32个通用寄存器

　　　　ｂ、7个状态寄存器：1个CPSR（当前程序状态寄存器）

　　　　 6个SPSR（备份程序状态寄存器）

　　　　ｃ、1个PC（程序计数器）

（２）每一种处理器模式有一组响应的寄存器组，如下对应方式：

（３）通用寄存器包括R0-R15，可以分为3类：

Ａ、未分组寄存器R0 – R7：

　　在所有运行模式下，未分组寄存器都指向同一个物理寄存器，他们未被系统用作特殊的用途。因此在中断或异常

处理进行异常模式转换时，由于不同的处理器运行模式均使用相同的物理寄存器，所以可能造成寄存器中数据的破坏。

Ｂ、分组寄存器R8 – R14：

　　对于分组寄存器，他们每次所访问的物理寄存器都与当前的处理器运行模式相关。

　　R13常用作存放堆栈指针，用户也可以使用其他寄存器存放堆栈指针，称为SP；

　　R14称为链接寄存器（LR），当执行子程序时，R14可得到R15（PC）的备份，执行完子程序后，又将R14的值

　　复制回PC，即使用R14保存返回地址。

Ｃ、程序计数器PC（R15）：

　　寄存器R15用作程序计数器（PC），在ARM状态下，位[1:0]为0，位[31:2]用于保存PC；在Thumb状态下,位[0]为0，

　　位[31:1]用于保存PC。对于ARM指令集而言，PC总是指向当前指令的下两条指令的地址，即PC的值为当前指令的

　　地址值加8个字节。

（４）程序状态寄存器：

　　CPSR（Current Program Status Register，当前程序状态寄存器），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。包含以下内容：

ALU状态标志的备份；

当前的处理模式

中断使能标志；

设置处理的状态；

　　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（Saved Program Status Register，备份的程序

状态寄存器），当异常发生时，SPSR用于保存当前CPSR的值，从异常退出时则可由SPSR来恢复CPSR。

由于用户模式和系统模式不属于异常模式，这两种状态下没有SPSR，因此在这两种状态下访问SPSR，结果是未知的。

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六、ARM指令集：

１、数据操作指令：

（1）MOV　将数据从一个寄存器传送到另一个寄存器：

　　MOV AX，2000H；将16位数据2000H传送到AX寄存器

　　MOV AL，20H；将8位数据20H传送到AL寄存器

　　MOV AX，BX；将BX寄存器的16位数据传送到AX寄存器

　　MOV AL，[2000H]；将2000H单元的内容传送到AL寄存器

　　MOVW 把 16 位立即数放到寄存器的底16位，高16位清0

　　MOVT 把 16 位立即数放到寄存器的高16位，低 16位不影响

　　　movw r8, #19028 ; 0x4a54

　　　movt r8, #49456 ; 0xc130

　　　r8 = 0xc1304a54

（2）AND将寄存器做“逻辑与”操作后保存结果到其他寄存器

AND R2，R1，R3 // R2 = R1 & R3

ANDS R0，R0，#0x01 // R0 = R0 & 0x01

（3）SUB

SUB R0，R1，R2 //R0 = R1 – R2

SUB R0，R1，#256 //R0 = R1 -256

（4）ADD

ADD R0，R1，R2 //R0 = R1 + R2

ADD R0，R1，#256 //R0 = R1 + 256

ADD R0，R2，LSL#1 //R0 = R2 + (R3 << 1)

（5）CMP比较指令

（6）BIC位清零指令

BIC R0，R0，#0x1011 //清除位 0/1/3

２、乘法指令：

　　MUL MLA

　　MUL R1，R2，R3 //R1 = R2 * R3

　　MOV R0，#0x0A

　　MLA R1，R2，R3，R0 // R1 = R2 * R3 + 10

３、Load/Store指令：

（１）LDR从存储器中将一个32位的字数据传送到目的寄存器中。

LDR R1，[R0，#0x12] //将R0 +12地址处的数据读出，保存到R0中；

LDR R1，[R0，R2] //将R0 + R1地址的数据读出，保存到R1中；

LDR RD，[Rn]，#0x04 //Rn的值用作传输数据的基地址，在数据传送后，将偏移量0x04与Rn相加写回到Rd中

　　LDR R0，[R1，LSL #3] ；将存储器地址为R1*8的字数据读入寄存器R0。

　　LDR R0，[R1，R2，LSL #2] ；将存储器地址为R1+R2*4的字数据读入寄存器R0。

　　LDR R0，[R1,,R2，LSL #2]！；将存储器地址为R1+R2*4的字数据读入寄存器R0，并将R1+R2*4的值存入R1。

（２）STR 用于将一个32bit的数据写入到指定的内存单元

STR R0，[R1]，＃8 　　//将R0中的字数据写入以R1为地址的存储器中，并将新地址R1＋8写入R1。

　　STR R0，[R1，＃8] 　//将R0中的字数据写入以R1＋8为地址的存储器中

　　STR R1, [R0] 　　　　//将r1寄存器的值，传送到地址值为r0的（存储器）内存中

４、跳转指令：

　　B 跳转指令

　　BL 带返回的连接跳转

　　BX 跳转并切换状态

　　BLX 带返回的跳转并切换状态

５、状态操作指令：

　　ARM指令提供了两条如下指令，可直接控制程序状态寄存器(只有在特权模式下才能修改状态寄存器)：

（１）MRS：把程序状态寄存器的值送到一个通用寄存器中

MRS R1, CPSR //将CPSR状态寄存器读出，保存到R1中

MRS R2, SPSR

（２）MSR：把寄存器的内容传送到程序状态寄存器

MSR CPSR_c，#0xD3 //CPSR[7:0] = 0xD3切换到管理模式

MSR CPSR_c，R3 　//CPSR = R3

６、异常产生指令：

　　SWI：软中断指令，产生软中断，处理器进入管理模式；

　　SWI 0 //产生软中断，中断立即数为0

　　SWI 0x123456 //产生软中断，中断立即数为0x123456

　　BKPT：断点中断指令，处理器产生软件中断；

　　　　产生一个预取异常，用来设置软件断点；

七、ARM指令的寻址方式：

１、立即数寻址：

　　MOV R0，#0 //送0到R0中

　　ADD R3，R3，#1 //R3的值加1

　　CMP R7，#1000 //R7的值和1000比较

　　BIC R9，R8，#0xff00 //将R8中8~15位清0，结果保存在R9中

２、寄存器寻址：

　　寄存器的值可以被直接用于数据操作指令

　　MOV R2，R0 //R0的值送R2

　　ADD R4，R3，R2 //R4 = R2 + R3

　　 CMP R7，R8 //比较R7和R8的值

３、寄存器移位寻址：

　　预处理和移位发生在同一周期内，有效使用移位寄存器，可以提供代码执行效率；

　　　ADD R2，R0，R1，LSR #5

　　　MOV R1，R0，LSL #2

　　　RSB R9，R5，R5，LSL #1

　　　SUB R1，R2，R0，LSR #4

４、寄存器间接寻址：

　　LDR R1，[R2] //将R2的数值作为地址，取出地址中的数据保存到R1中

　　STR R1，[R2] //将R2数值作为地址，取出R1中的值存入R2所指向的地址

５、基址变址寻址：

　　基址变址是将基址寄存器的内容与指令中给出的偏移量相加，形成操作数的有效地址；

　　基址变址寻址常用于查表、数组操作、访问基址附近的存储单元等。

　　　LDR R1，[ R0，#0xf ] //将R0的数值加0x0f作为地址，取出此地址的数值保存到R1

　　　STR R1，[R0，#-2] //将R0的数值减2作为地址，将R1中的内容保存到此地址中

　　　STR R1，[R0，+R2] //将R0的值加上R2的值作为地址，把R1的内容保存到该地址

６、多寄存器寻址/块拷贝寻址：

　　批量Load、Store指令将一片连续的内存单元数据加载到通用寄存器组中，或将一组通用寄存器的数据存储

到内存单元中：

　　　　IA ：后递增方式

　　　　IB ：先递增方式

　　　　DA：后递减方式

　　　　DB：先递减方式

　　块拷贝寻址指令：

　　 STMIA

　　STMIB

７、相对寻址：

　　BL FUN1 //调用到FUN1的子程序

　　B LOOP //条件跳转到LOOP标号处

　　STMDA

　　STMDB

八、异常中断

１、硬件中断&软件中断：

　　硬件中断是随机的，不可预测的

　　软件中断是事先安排的（如workQueue、task）

２、ARM处理器有七种类型的异常：

　　（１）复位异常（Reset）：处理器在工作时, 突然按下重启键, 就会触发该异常;

　　（２）数据异常（Data Abort）：读取数据失败;

　　（３）快速中断异常（FIQ）：快速中断要比普通中断响应速度要快一些；

　　（４）外部中断异常（IRQ）：普通中断;

　　（５）预取异常（Prefetch Abort）：预取指令失败, ARM 在执行指令的过程中, 要先去预取指令准备执行，

　　　　　　　　　　　如果预取指令失败, 就会产生该异常；

　　（６）软中断异常（SWI）：软件中需要去打断处理器工作, 可以使用软中断来执行 ;

　　（７）未定义指令异常（Undefined Instruction）：处理器无法识别指令的异常, 处理器执行的指令是有规范的

　　　　　　　　　　　如果尝试执行不符合要求的指令, 就会进入到该异常指令对应的地址中；

　　当异常发生时，分组寄存器R14和SPSR用于保存处理器状态，

　　异常返回时，SPSR内容恢复到SPSR，链接寄存器R14的内容恢复到程序计数器PC。

　　下图中每种异常对应一种内核的工作模式，当然每种异常产生，内核都会进入特定的工作模式；

３、异常处理流程：

（1）中断响应所做的工作：

　　Ａ、保存短点：保存下一将要执行的指令的地址，也就是把这个地址送入堆栈；

　　Ｂ、寻找中断入口：根据不同的中断源产生的中断，查找不同的入口地址；

　　Ｃ、执行中断处理程序；

　　Ｄ、中断返回：执行完中断指令后，就从中断返回到主程序继续执行；

（2）异常向量表

　　每一个异常发生时，总是从异常向量表开始跳转，所谓的异常向量表，是指由7个异常向量及其处理函数跳转

关系组成的表：

　　　0x00000000: b reset

　　　0x00000004: ldr pc, _undefined_instruction

　　　0x00000008: ldr pc, _software_interrupt

　　　0x0000000c: ldr pc, _prefetch_abort

　　　0x00000010: ldr pc, _data_abort

　　　0x00000014: ldr pc, _not_used //保留

　　　0x00000018: ldr pc, _irq

　　　0x0000001c: ldr pc, _fiq

（3）当一个ARM异常返回时，需要完成如下任务：

　　　　通用寄存器的恢复；

　　　　状态寄存器的恢复；

　　　　PC指针的恢复；