ARM体系结构学习总结
arm体系结构：研究核core，如何工作 内部原理以及工作工程
ARM核：CPU中最核心最重要的部分，ARM核由ALU，存储器，逻辑控制器，移位寄存器等组成
ARM指令：随着cpu的发展，指令也在发生变化
指令：cpu执行的就是指令
指令的生成： 与计算机语言的发展相反
x.c ----> x.s ---> x.o
C语言---->汇编（助记符）---->二进制指令
每条汇编就对应一条二进制指令，二进制指令和汇编一一对应
指令执行过程：
flash存放指令，控制器负责从flash中 取指 交给运算器执行，执行过程中，
有临时数据存放在寄存器中，一般建议，指令在执行之前拷贝到RAM（内存）中
Flash(Rom)：读写速度慢，断电不丢失数据，永久存储
flash淘汰了Rom---固态硬盘/SD/存储内存--并行存储
ARM的工作模式：
ARM和人也有相似的地方，人在生活中会有很多种模式，如睡觉、工作、学习、打游戏...
在不同模式下，所占有的资源和权限是不一样
cpu：在不同模式下，功耗不同
模式切换：
作用：方便获取该模式下的权限和资源
从一种模式切换到另一种模式，需要保存当前状态/位置，方便以后返回
USR模式, 该模式权限最低, 大部分程序都要在该模式下执行 90% ---安全
SVC模式： super 管理员模式, 权限最高， 负责执行高优先级的程序 6%
IRQ模式： 外部中断模式， 权限很高, 负责处理中断 3%
*FIQ模式： fast IRQ模式, 权限比IRQ高， 处理高优先级中断，linux并没有该模式
#### undefine 模式： 当cpu发现指令异常， 进入该模式处理
#### abort模式： cpu发现内存违法，进入该模式
#### system模式， 和usr一样
不同模式下, 权限和资源不一样
寄存器，用来存放临时数据的，
寄存器 r0 ~ r7 只有一份, 各种模式都共享他们
*r8 ~ r12 有两份 FIQ模式 自占一份
r13 r14各个模式都有一份 r15(PC)一份
CPSR只有一份, SPSR多份-
总结：不管如何分配，每个模式都有r0-r15可以使用， 还有cpsr
但是： 有几个特殊的寄存器， 他们有专门的用途
r15：又称pc ,pragram counter--程序计数器
pc记录了指令执行的位置：
控制器每次都会从pc 记录的位置取出一条指令，pc自动+4
然后控制器循环取指....
pc记录的是 程序指令地址不是指令本身, pc指向的指令是将要被执行的
r14： 又称LR寄存器, linker register
pc 的备胎backup, 当程序跳转的时候,记录pc的位置 (LR =pc)，
那么程序返回的时候 pc = LR
r13: 又称sp, stack point 栈指针
CPSR： current process state register，当前处理器状态寄存器
比如cpu的当前模式，其他东西
[4:0] 记录当前模式， 读取获取当时的模式，写入改变模式
[7] 读取获取当前IRQ 状态, 写入改变IRQ状态
SPSR：save process state register ,保存处理器状态寄存器
模式切换 ,会从模式A 切换到模式B， CPSR 会被改变
那么当返回的时候，CPSR 要恢复到以前的状态
ARM指令集编码基本格式：
条件码 指定码 目的寄存器 操作数1寄存器 操作数2
31-28 27-20 19-16 15-13 12-0
标志位 （EQ NE ）
<opcode> <Rd> <Rn> <operand2>
操作码 目标寄存器 操作数1寄存器 第二个操作数
add r1, r0,#3 @@ r1=r0+3
add R3, R2, R1,LSR #2 #R3 = R2+R1 /4 @@r1逻辑右移两位+4
######## 汇编指令 ####################
@@@@@@@@ 搬移指令 movmov r0, #1 @@ r0 =1mov r1, r0 @@ r1=r0 mov r2, r1 @@@切换CPU模式--->usr模式@@@ mov cpsr ,#ox10 非法，因为 cpsr只有两条可以修改 msr mrs @@@@@@@@ 算数指令 ############add r1, r0,#3 @@ r1=r0+3add r2,r1,r0 @@ 用法 ：add 目的寄存器 源寄存器 寄存器/数值sub r2, r1 ,#3 @@ r2=r1-3mul r2,r1,r2 @@ r2 = r1*r2 mul 目的寄存器，源1寄存器，源2寄存器 @@没有除法@@@@@@@@@ 逻辑运算 and--& orr-- | bic--清零 bit clear与指令and Rd,Rn,operandand指令将Rn 的值与操作数operand2按位逻辑 与 ，结果存放到目的寄存器Rd 中。或指令orr Rd,Rn,operandorr指令将Rn 的值与操作数operand2按位逻辑 或 ，结果存放到目的寄存器Rd 中。异或指令eor Rd,Rn, operandeor 指令将Rn 的值与操作数operand2按位逻辑”异或”，相同为0,不同为1,结果存放到目的寄存器Rd 中。清除指令bic Rd,Rn,operand bic指令将Rn 的值与操作数operand2 的反码按位逻辑”与”，结果存放到目的寄存器Rd 中bic R0,R0,#0x1F; @@将R0最低5位清零，其余位不变@@@@@@@@@@@@@ 比较指令 条件执行 #########mov r1,#5cmp r1,#8 @@@ 内部原理： r1-8 得到一个结果： 负值 正值 0@@ 结果放在 cpsr.N cpsr.Z cmp每次执行都会改变这些bit@@ cpsr.N negative 负数 =1 表示有负数产生 =0表示没有负数产生@@@ cpsr.Z zero =1 b表示结果为零 =0 表示结果非零@@@@ 条件执行 大于great 小于 -little 等于-equeue 不等于--not equeuemovgt r3,#9 @@ 大于执行 如果加上gt那么该指令会首先读取 cpsr.n/z,然后决定是否执行movlt r4,#8moveq r5,#5movne r6,#7cmp r2,r1@@@@@@@@@@ 跳转指令 #######修改PC值mov r0,#1
mov r1,#2
mov r2,#3
mov r3,#4
b main @@@强制修改PC =main所在的地址， pc=18mov r4,#5
mov r5,#6main: @@标号仅仅表示当前指令存在的地址，标号在编译之后不存在 不占用空间mov r9,#9
mov r10,#10@@@@@@@@@@@@@@@@@ b 基本操作 --breakbl --- link registerbl 首先把 当前指令的地址存放在 lr中,然后再跳转bl main mov pc,lr ##### 深入指令 ###########
指令，32bit 基本上和汇编一一对应
指令生成： gcc x.c -o x.out
如何从汇编翻译为机器码/指令：
总结：每条指令都是独立的，不依赖于其他指令
指令执行过程：
最基本的三个过程： 取指 译码 (找到运算器 输入源 输出源) 执行
我们都是使用 指令流水 完成---流水线---一条指令一个周期
51单片机： 三级流水
STM32 ： 五级流水
x86 ： 13级流水
流水 ：提高效率，不用等待， 每个模块只要关注一件事情
####### 立即数问题 ############
放入指令中的常数
指令有 12bit 用来存放数据 0xFFF 1111 1111 1111
理论上 0-4095，但是这样就没有办法表示一个 很大很大的数
实际上：
12bit 分为 高8位 低四位
高8bit用来存放一个 8bit数据， 0~255, 假设为 x
低4bit表示 X 左移的位数*2 假设 低4bit值为 y
那么最终结果是 ：x<<(2*y)
定义：立即数即一个bit常数循环左移偶数位得到的值
判断一个数是不是立即数？？
如果它可以由一个 8bit常数 经过偶数位循环 左移得到
0x01880 0001 1000 1000 0000 可以左移六位得到
ox01F40 0001 1111 0100 0000 可以左移六位得到
0x1234 不是
问题：我们C语言 从没有考虑这个为问题 ，如何把0x12345678 放入r0呢？
mov r0,0x12345678 不行 非法
如何做：
1.拆分大常数， 比如 0x1234 --> 0x1200 and 0x34,分别放入 r0，r1 ,然后orr r3,r0,r1
*2.使用伪指令 ： 假指令
ldr r0, =0x12345678
原理：编译器 遇到伪指令，会帮你替换为真实的指令，完成你要求的功能
####### 内存访问指令 ######
寄存器的存储是有限的 r0-r15
ldr str
arm 规定，内存是不能直接拷贝的(从一片区域拷贝到另一片)
ldr :load register，将数据 从此内存拷贝到 寄存器
str ：store register ,将寄存器值 存入内存中
LDR用于将内存的内容加载到寄存器中，STR用于存储寄存器的内容到 存储器地址
@@@i++如何实现的？？ ldr r0,=val_i @@将val_i的内存地址写入寄存器r0
ldr r1,[r0] @@ r1=*r0 @@取出值
add r1,r1,#1
str r1,[r0] //将r1 中的值存储到r0中的内存地址中mov r0,#buf @@r0 = buf的地址ldr r0,= buf
ldr r1= [r0] @@ r1=*r0 r0存储了数据的地址， *r0 取出内容ldr r0,=dbuf
str r1,[r0] @@ *r0 = r1 .date @@@ 表示后面是 数据段， 可以修改的val_i:.byte 0x1,0x3,0x5,0x7buf: @@ char buf[] = {0x01,0x02,0x03,0x04}.byte 0x01,0x02,0x03,0x04 @@小端模式 ：高字节放高位dbuf: @@ char *buf = malloc(8).space 8@@@@@@@@@@@ 异常 #############@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@
正常--状态：学习 吃饭 睡觉
异常 ：打断正常节奏的事件， 称之为异常
CPU ：在执行过程中，会遇到 中断 指令错误 内存错误...
异常：需要处理，而且需要 及时处理
|
|
|
| 突然发生异常
-----------> cpu立马放下手中的任务，转而去处理异常
LR=pc,spsr=cpsr |
| pc和 cpsr被改变
|
------------
| 返回正常程序
| pc=LR,cpsr=spsr
|
中断,是异常的一种，异常包括很多种，中断异常 软中断异常
中断是其中最重要的一种
中断好处：提高系统的响应速度(鼠标跟踪)--实时性
异常特点： 一般随机发生的，但是也可以主动让某个异常发生
复位异常/RESET: 程序正在执行，突然系统复位..---优先级最高
IRQ异常： 中断异常，当中断产生的时候
@ FIQ异常： 快速中断发生
swi软中断异常： 唯一一个 可以主动发生的异常
只要执行一个指令，就可以产生异常 swi
@未定义异常： 当程序发现 未定义指令的时候......
@数据访问异常： 程序发现 内存非法(内存被释放)
不同的异常, 处理的时候需要不同的资源和权限(模式)
不同的异常发生, cpu会自动进入不同的模式，从而获得不同的权限和资源，执行不同的代码
不同的异常--跳到异常向量表的0位置-->跳转指令,在跳转到代码执行区
SVC --supervisor
RESET/SWI ---SVC模式
IRQ ---IRQ模式
当发生不同异常,PC指针应该跳转到不同的位置,执行不同的代码段处理该异常
那么问题：程序的位置是不同的
异常向量表 vctor Table： 他存放在flash的0地址 0x00
每4B为一个表项, 当cpu 发生不同异常的时候,pc指针跳转到对应的表项
RESET --->0x00
swi软中断异常--->0x08
IRQ异常
@@跳转指令b resetreset://初始化栈指针ldr sp, =end_stack @@r13 一般写为sp ，我们一般使用减栈stmfd sp!,(r0-r12,lr) @@将r0-r12,r14统统放入sp指向的栈中，！sp指针自动调整@@出栈ldmfd sp!,(r0-r12,pc) @注： lr直接给了pc@@ mov pc,lr .date stack_base:.space 512end_stack:@@@@ 伪指令
假指令 ，真是不存在的指令, 作用是 告诉编译器 该如何去干活
.text 告诉编译器，后面都是指令
.end , 结束了
.byte buf: .byte 0x1,0x2,0x3 ...告诉编译器，buf后面的空间 按照 字节为单位 进行访问，依次存入
.word buf: .word 0x12345678--一个字 0x23355589 ...
告诉编译器，buf后面的空间都按照 字为单位进行访问
int buf[] = {0x1234,0x2345678}
ldr ldr r3,=0x1234666 告诉编译器，把这个数放入寄存器r3
.global 标签 .global _start 声明 _start 为全局标签,即允许标签 被外部使用
.equ PI 3.1415926 @@@ #define PI 3.1415926
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