《ARM体系与结构读书笔记》.pdf

### ARM体系结构与编程知识点详解 #### 一、嵌入式系统的概述 嵌入式系统是一种专门设计用于执行特定任务的计算机系统，广泛应用于汽车、手机、医疗设备等多个领域。ARM架构作为主流的嵌入式处理器架构之一，在移动计算、物联网等领域具有举足轻重的地位。 #### 二、ARM体系的结构和特征 ##### 2.1 ARM芯片特点 - **RISC体系特点**：ARM采用精简指令集（RISC）设计，指令集简单高效，易于实现高性能和低功耗。 - **ARM技术**：ARM公司设计并授权ARM架构给其他制造商生产，这些制造商可以根据自身需求定制化设计基于ARM架构的处理器。 ##### 2.2 ARM版本和命名 - **ARM体系版本**：ARM架构经历了多次迭代，如ARMv7、ARMv8等，每个版本都有其独特的改进和新特性。 - **ARM体系变种**：为适应不同应用场景，ARM架构还衍生出了多种变种，如A系列（面向移动设备）、R系列（面向实时系统）、M系列（面向微控制器）。 - **ARM命名格式**：例如Cortex-A53，“Cortex”是ARM的产品线名称，“A”代表应用处理器，“53”表示性能等级。 ##### 2.3 ARM处理器系列 - **Cortex-A系列**：面向高性能应用，如智能手机和平板电脑。 - **Cortex-R系列**：适用于需要实时响应的应用场景，如汽车控制系统。 - **Cortex-M系列**：针对低成本微控制器市场，广泛应用于物联网设备。 ##### 2.4 ARM处理器模式 ARM处理器支持多种工作模式，包括用户模式、系统模式、管理模式、未定义模式、中止模式、IRQ模式和FIQ模式。每种模式下，处理器有不同的行为和权限设置。 ##### 2.5 ARM寄存器 ARM处理器拥有丰富的寄存器资源，共计37个寄存器： - **通用寄存器**：r0-r12，用于存放数据或地址。 - **链接寄存器**（LR，即r14）：用于保存返回地址。 - **程序计数器**（PC，即r15）：指向当前正在执行的指令地址。 - **程序状态寄存器**（PSR）：包含处理器的状态和控制信息。 - **控制寄存器**：如CPSR（当前程序状态寄存器）和SPSR（备份程序状态寄存器）。 ##### 2.6 ARM体系的异常中断 - **异常中断种类**：包括复位、未定义指令、软件中断（SWI）、预取中止、数据中止、IRQ中断和FIQ中断。 - **异常中断响应过程**：当发生异常时，ARM处理器会自动保存当前状态，并转移到相应的异常处理程序执行。 ##### 2.7 ARM体系存储系统 - **ARM体系存储空间**：采用统一的物理地址空间，支持高达4GB的地址空间。 - **ARM体系存储器格式**：小端格式和大端格式两种，小端格式是指字的最低字节存储在最低地址，而大端格式则相反。 - **非对齐的存储器访问**：ARM处理器允许非对齐的数据访问，但在某些情况下可能会降低性能。 - **指令预取和自修改代码**：ARM支持指令预取机制来提高执行效率；同时，也可以实现自修改代码的功能。 #### 三、ARM指令分类及寻址方式 ##### 3.1 ARM指令集概要 - **ARM指令的分类**：分为数据处理指令、分支指令、加载/存储指令等。 - **ARM指令的编码格式**：大多数指令采用32位长度。 - **ARM指令的条件码域**：允许根据不同的条件码执行指令。 ##### 3.2 ARM指令寻址方式 - **数据处理指令的操作数的寻址方式**：寄存器寻址、立即数寻址等。 - **字及无符号字节的LOAD/STORE指令的寻址方式**：基址加偏移量寻址、寄存器间接寻址等。 - **杂类LOAD/STORE指令的寻址方式**：包括预增寻址、后增寻址等。 #### 四、ARM指令集 这一章节详细介绍了ARM指令集中各类指令的功能和使用方法，包括但不限于： - **跳转指令**：用于改变程序的执行流程。 - **数据处理指令**：包括数据传送指令、算术逻辑运算指令、比较指令、乘法指令等。 - **LOAD/STORE内存访问指令**：用于读取和写入内存中的数据。 - **批量LOAD/STORE内存访问指令**：一次处理多个数据项。 - **信号量操作指令**：用于多任务同步和互斥控制。 - **异常中断产生指令**：用于触发异常中断。 - **ARM协处理指令**：用于访问协处理器，如浮点运算单元等。 #### 五、ARM汇编语言程序设计 - **伪操作（derective）**：用于定义符号、数据、控制汇编过程等。 - **ARM汇编语言伪指令**：用于控制汇编器的行为。 - **ARM汇编语言语句格式**：包括符号、指令和操作数等元素的使用规范。 - **ARM汇编语言程序格式**：规定了源代码的组织结构。 - **ARM汇编编译器的使用**：介绍了如何使用ARM汇编编译器进行编译和链接。 #### 六、ARM存储系统概述 - **主标识符编码格式**：用于识别ARM处理器的类型和版本。 - **MMU存储器管理单元**：负责虚拟地址到物理地址的转换，提供内存保护等功能。 #### 七、ATPCS介绍 - **ATPCS概述**：ARM Thumb Procedure Call Standard，用于确保跨编译器兼容性。 - **寄存器使用规则**：规定了函数调用过程中寄存器的分配和使用。 - **数据栈使用规则**：规定了函数调用时栈的使用规则。 - **参数传递规则**：明确了函数参数的传递方式。 #### 八、ARM程序和THUMB程序混合使用 - **概述**：在ARM架构中，ARM和Thumb两种指令集可以混合使用，以平衡性能和代码大小。 - **实现方法**：通过特定的指令实现程序状态的切换。 #### 九、ARM连接器 - **ARM映像文件的组成**：通常由多个输入段组成，如.text、.data等。 - **ARM映像文件的入口点**：指定了程序的起始地址。 - **输入段的排序规则**：决定了最终输出段的排列顺序。 - **ARM连接器介绍**：连接器负责将多个目标文件链接成一个可执行文件。 - **ARM连接器生成的符号**：包括各种特殊符号，用于指示内存布局等信息。 以上是《ARM体系与结构读书笔记》中涉及的主要知识点概述，涵盖了ARM架构的基本概念、指令集、程序设计以及存储管理等方面的内容。对于深入理解和掌握ARM架构及其编程具有重要意义。