【Linux】ARM篇一--计算机基础与RAM处理器概论
ARM篇一--计算机基础与ARM处理器概论
- 一、计算机基础
- 1、Linux嵌入式底层导学
- 1.1 Linux学习过程
- 1.2 操作系统的分层作用
- 2、计算机基础知识
- 2.1 计算机的进制
- 2.2 计算机的组成
- 2.3 总线
- 3、储存结构与地址空间
- 3.1 储存结构
- 3.2 地址空间
- 4、CPU工作原理简述
- 二、ARM处理器概论
- 1、ARM处理器概述
- 1.1 ARM公司概述(了解)
- 1.2 ARM产品系列
- 1.3 RISC处理器
- 1.4 SOC(片上系统)
- 2、ARM指令集概述
- 2.1 指令集
- 2.2 ARM指令集
- 2.3 编译原理
- 3、ARM存储模型
- 3.1 ARM数据类型
- 3.2 字节序
- 3.3 ARM指令存储
- 4、ARM工作模式
一、计算机基础
1、Linux嵌入式底层导学
1.1 Linux学习过程
RAM那里改成ARM
1.2 操作系统的分层作用
操作系统的分层
操作系统的作用:向下管理硬件
、向上提供接口
(API)
应用开发
(之前学习的)
即使用系统提供的接口(API),做上层应用程序的开发底层开发
(现在学习的)
即做操作系统本身的开发
2、计算机基础知识
2.1 计算机的进制
在计算机中数据的存储、运算、传输都是以高低电平的方式
所以数字电路中用高、低电平
来表示逻辑1和0
2.2 计算机的组成
冯洛伊曼图
输入设备
把其他信号转换成计算机能识别和处理的信号并送入计算机中
如键盘、鼠标、摄像头等输出设备
把运算结果以人或其他设备所能接受的形式送出计算机外
如显示器、音响、打印机等存储器
存储器是用来存储程序和数据的部件,是实现"存储程序控制"的基础
如内存、硬盘等运算器
CPU中负责进行算数运算和逻辑运算的部件,其核心是算术逻辑单元ALU控制器
控制器是CPU的指挥中心,其控制着整个CPU执行程序的逻辑过程
2.3 总线
总线
总线是计算机中各个部件之间传送信息的公共通信干线
, 在物理上就是一束导线按照其传递信息的类型可以分为数据总线
、地址总线
、控制总线
DMA总线
DMA(Direct Memory Access)即直接存储器访问
,使用DMA总线可以不通过CPU直接在存储器之间进行数据传递
3、储存结构与地址空间
3.1 储存结构
Cache
(高速缓存)
速度最快、价格最贵、容量最小、断电数据丢失、cpu可直接访问
存储当前正在执行的程序中的活跃部分,以便快速地向CPU提供指令和数据主存储器
(内存:RAM)
速度、价格、容量介于Cache与辅存之间、断电数据丢失、cpu可直接访问
存储当前正在执行的程序和数据辅助存储器
(硬盘:ROM)
速度最慢、价格最低、容量最大、断电数据不丢失、cpu不可直接访问
存储暂时不运行的程序和数据,需要时再传送到主存
3.2 地址空间
一个
处理器
能够访问(读写)的存储空间
是有限的,我们称这个空间为它的地址空间(寻址空间)
,一般来说N位
地址总线的处理器的地址空间是2的N次方
例如:2位总线能访问00、01、10、11及2的2次方
4、CPU工作原理简述
CPU执行指令的过程
: CPU先通过指令计数器PC
向内存写入要读取数据的地址,内存根据地址找到数据并返回给CPU,CPU通过指令寄存器IR
接收到数据,将数据通过指令译码器
翻译成可执行指令
发送给运算器执行,运算结果储存在寄存器
中,CPU指令计数器自增
重复执行步骤。
一条指令的执行分为三个阶段:
取址
:
CPU将PC寄存器中的地址发送给内存,内存将其地址中对应的指令返回到CPU中的指令寄存器(IR)译码
:
译码器对IR中的指令进行识别,将指令(机器码)解析成具体的运算执行
:
控制器控制运算器中对应的运算单元进行运算,运算结果写入寄存器
每执行一条指令后PC的值会自动增加指向下一条指令
二、ARM处理器概论
1、ARM处理器概述
1.1 ARM公司概述(了解)
ARM的含义
ARM(Advanced RISC Machines)有三种含义
一个公司的名称
、一类处理器的通称
、一种技术
ARM公司
成立于1990年11月,前身为Acorn计算机公司
主要设计ARM系列RISC处理器内核
授权ARM内核给生产和销售半导体的合作伙伴,ARM公司并不生产芯片
提供基于ARM架构的开发设计技术软件工具、评估板、调试工具、应用软件
总线架构、外围设备单元等
1.2 ARM产品系列
- 早先经典处理器
包括ARM7、ARM9、ARM11家族 Cortex-A系列
针对开放式操作系统的高性能处理器
应用于智能手机、数字电视、智能本等高端运用Cortex-R系列
针对实时系统、满足实时性
的控制需求
应于汽车制动系统、动力系统等Cortex-M系列
为单片机驱动的系统
提供了低成本优化方案
应用于传统的微控制器市场、智能传感器、汽车周边等
1.3 RISC处理器
RISC处理器
只保留常用的的简单指令,硬件结构简单,复杂操作一般通过简单指令的组合实现,一般指令长度固定,且多为单周期指令
RISC处理器在功耗、体积、价格
等方面有很大优势,所以在嵌入式移动终端领域应用极为广泛CISC处理器
不仅包含了常用指令,还包含了很多不常用的特殊指令,硬件结构复杂,指令条数较多,一般指令长度和周期都不固定
CISC处理器在性能
上有很大优势,多用于PC及服务器等领域
1.4 SOC(片上系统)
将一个系统中所需要的全部部件集成在一个芯片中在体积、功耗、价格上有很大优势
2、ARM指令集概述
2.1 指令集
指令
- 能够指示处理器执行某种运算的命令称为指令(如加、减、乘 …)
- 指令在内存中以机器码(二进制)的方式存在
- 每一条指令都对应一条汇编
- 程序是指令的有序集合
指令集
- 处理器能识别的指令的集合称为指令集
不同架构的处理器指令集不同
- 指令集是处理器对开发者提供的接口
2.2 ARM指令集
ARM指令集
所有指令(机器码)都占用32bit存储空间
代码灵活度高、简化了解码复杂度
执行ARM指令集时PC值每次自增4
Thumb指令集
所有指令(机器码)都占用16bit存储空间
代码密度高、节省存储空间
执行Thumb指令集时PC值每次自增2
2.3 编译原理
机器码(二进制)
是处理器能直接识别的语言,不同的机器码代表不同的运算指令,不同的处理器机器码不同,所以机器码不可移植
汇编语言是机器码的符号化
,即汇编就是用一个符号来代替一条机器码,所以不同的处理器汇编也不一样,即汇编语言也不可移植
C语言
在编译时我们可以使用不同的编译器
将C源码编译成不同架构处理器的汇编,所以C语言可以移植
3、ARM存储模型
3.1 ARM数据类型
- ARM采用32位架构,基本数据类型有以下三种
- Byte :
8bits
- Halfword :
16bits
- Word :
32bits
- Byte :
- 数据存储
Word型数据在内存的起始地址必须是4的整数倍
Halfword型数据在内存的起始地址必须是2的整数倍
3.2 字节序
大端对齐 - 低对高
低地址存放高位,高地址存放低位小端对齐 - 低对低
低地址存放低位,高地址存放高位
注:ARM一般使用小端对齐
例如:
3.3 ARM指令存储
- 处理器处于
ARM状态
时
所有指令在内存的起始地址必须是4的整数倍
PC值由其[31:2]决定,[1:0]位未定义 - 处理器处于
Thumb状态
时
所有指令在内存的起始地址必须是2的整数倍
PC值由其[31:1]决定,[0]位未定义
注:即指令本身是多少位在内存存储时就应该多少位对齐
4、ARM工作模式
ARM有8个基本的工作模式
User
:非特权模式,一般在执行上层的应用程序时ARM处于该模式FIQ
: 当一个高优先级中断产生后ARM将进入这种模式IRQ
: 当一个低优先级中断产生后ARM将进入这种模式SVC
: 当复位或执行软中断指令后ARM将进入这种模式Abort
: 当产生存取异常时ARM将进入这种模式Undef
: 当执行未定义的指令时ARM将进入这种模式System
: 使用和User模式相同寄存器集的特权模式Monitor
: 为了安全而扩展出的用于执行安全监控代码的模式
- 按照
权限
分类
User
为非特权模式
(权限较低),其余模式
均为特权模式
(权限较高) - 按照
状态
分类
FIQ、IRQ、SVC、Abort、Undef
属于异常模式
,即当处理器遇到异常后会进入对应的模式
到这里就结束啦!
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