嵌入式系统——ARM架构及分类

文章目录

• • 一、什么是架构
  • 二、ARM架构分类
  • • Arm-A架构
    • • Armv7-A
      • • （1）指令集
        • （2）处理器模式
        • （3）通用寄存器
        • （4）特殊寄存器
      • Armv8-A
      • • 寄存器
        • 指令集
        • 异常模型及处理器模式

一、什么是架构

  “架构”（Architecture）指的是功能规范，ARM架构即是ARM处理器的功能规范，包括以下主要内容：

• 指令集：每条指令的功能，指令在存储器中的表示方法（编码）;
• 寄存器集：寄存器的数量、大小、功能，以及寄存器的初始状态；
• 异常模型：不同特权级、异常类型，以及采纳异常和从异常返回时的处理动作；
• 存储器模型：存储器的访问顺序，当软件必须执行准确维护时，缓存的行为；
• 调试、跟踪和统计：如何设置和触发断点，跟踪工具可以捕获的信息和采用的方式。

“架构”没有直接说明如何构建处理器并工作，它只是提供了一种软件和硬件之间行为规范，具体的处理器的构建和设计称为“微架构”Micro-Architecture，微架构包括：

• 流水线的长度和布局
• 缓存的数量和大小
• 单个指令的周期数（一条指令周期对应几个时钟周期）
• 其它可选特性

二、ARM架构分类

ARM提供了三种架构概要：

• A-Profile（应用）：用于复杂得计算应用领域，如服务器、移动电话、汽车主机；
• R-Profile（实时）：用于需要实时响应的地方，如安全关键应用或需要确定性响应的应用，如医疗设备、车辆转向、制动和信号等；
• M-Profile（微控制器）：用于能效、功耗、尺寸有较强需求的地方，如深度嵌入式芯片、小型传感器、通信模块、智能家居产品等。

  处理器的构建和设计称为“微架构”，微架构定义处理器的工作原理，包括：流水线的长度和布局，缓存的数量和大小，单个指令的周期数以及其它可选特性。

Arm-A架构

Armv7-A

（1）指令集

  ARMv7-A架构是32位处理器架构,也是load/store架构，即数据处理指令操作在通用寄存器完成，只有load/store指令可以访问内存。此外ARM指令集还有一大特点，就是ARM指令集几乎所有的指令都可以增加条件码。
ARM指令集可以归为一下四类：

• 数据处理操作（ALU操作例如ADD）；
• 内存操作（load/store）；
• 控制流（循环，跳转，条件码等）；
• 系统（协处理器，debug，模式切换等等）。
  Armv7-A支持Arm（A32）和Thumb（T32）数据集。
  ARM core只能在寄存器上执行数据处理，而不能直接在内存上执行。
  数据操作指令一般由一个目标寄存器和两个源操作数组成，所有ARM数据处理指令都可以加后缀（Suffix），并影响状态标志（CPSR）。其基本格式如下：
  Operation{cond}{S}Rd,Rn,Operand2
• Operation : 指令助记符；
• cond： 执行条件；
• S：后缀，是否影响CPSR寄存器状态位；
• Rd：目标寄存器；
• Rn：第一个操作数寄存器；
• Operand2：第二个操作数；
• {}：可选。

（2）处理器模式

  ARMv7架构支持安全扩展，如果使能了安全扩展，ARMv7-A架构分为安全模式（Secure State）和非安全模式（Non-secure State）两个世界。
在非安全模式下，存在三种运行特权PL0,PL1和PL2（privilege level）。

处理器模式：

• User：用户模式，运行再 PL0 这个特权等级上，也就是没有特权等级，他是OS上运行应用程序时候的等级，他不可以访问系统资源（MMU 等），在这个模式下，无法主动切换模式，除非遇到中断或者异常（诸如 SWI 触发系统调用）；
• FIQ：快中断模式，发生 FIQ快中断的时候处理器模式；
• IRQ：中断模式，发生 IRQ 快中断的时候处理器模式；
• Supervisor：管理员模式，复位后的默认模式，运行再 PL1 特权等级，可以通过 SWI(SVC) 系统调用呼叫产生Supervisor Call 异常，进入 Supervisor 模式，操作系统常用的模式；
• Monitor：监视模式，针对Security 扩展，不详细讨论；
• Abort：停止模式，当发生 Data Abort exception 或者 Prefetch Abort exception 异常时候进入这个模式；
• Hyp：当支持虚拟化扩展的时候模式，不详细讨论；
• Undefined：这是执行和指令相关的模式，当企图执行 UNDEFINED 指令的时候进入这个模式；
• System：系统模式，也是PL1 特权等级，和 Supervisor 的区别是，System 模式具有和 User 模式一样的寄存器，目前大多数系统未使用；

（3）通用寄存器

ARMv7-A 处理器有 16 个通用寄存器：R0~R15，其中：

• R13：通常用做堆栈指针 SP；
• R14：通常用作链接寄存器 LR；
• R15：通常用作程序计数器 PC；

  对于每种特权等级访问系统资源的权限不一样，而处理器又有几种模式，每种模式对应的特权等级有一定区别；每一种处理器模式对应的寄存器也有一定区别：

1. R0~R7，PC是所有模式下共享的；
2. FIQ 模式下，R8-R12、SP、LR 都是有专门的寄存器，有的材料上，称之为“影子寄存器”，什么意思呢？这个模式下，有他专用的 R8~R12、SP、LR；
3. 同样道理，Supervisor、Abort、Undefined、IRQ 等，都有他们自己模式下专用的 SP 和 LR，也就是说，从其他模式进来的时候，不需要针对这两个寄存器进行恢复现场；
4. FIQ 之所以称之为 FIQ，从软件上也看得出来，他专用的寄存器要多于 IRQ 的，所以也的确是要 Fast 一些；

（4）特殊寄存器

  ARMv7-A 还有一个特殊寄存器叫：程序状态寄存器 CPSR(Current Program Status Register)，再进入异常之前，当前的 CPSR 被保存到 SPSR (Saved Program Status Register)中；
 CPRS 在用户层叫做 APSR，APSR 只是 CPSR 寄存器中被截取的一部分，因为在用户层，并不是所有的 CPSR 的位都可以访问；

[28-31]：条件码
M[4:0]：处理器模式的Encoding

Armv8-A

  Armv8-A架构是针对应用框架的最新一代Arm架构。ARMv8架构继承了ARMv7与之前处理器技术的基础，除了对现有的16/32bit的Thumb2指令支持外，也向前兼容了现有的A32(ARM 32bit)指令集，基于64bit的AArch64架构，除了新增A64(ARM 64bit)指令集外，也扩充了现有的A32(ARM 32bit)和T32(Thumb2 32bit）指令集，另外还新增加了CRYPTO(加密)模块支持。

寄存器

为了向前兼容Armv7，Armv8-A支持两种Execution State，分别是AArch32和AArch64，两种Execution State有如下区别：

通用寄存器
 在ARM64架构下，CPU提供了33个寄存器, 其中前31个（0~30）是通用寄存器 (general-purpose integer registers)。

每个AArch64 64位通用寄存器X0-X30都有一个对应的32位寄存器，Wn寄存器是Xn寄存器的低32位，读Wn寄存器时会保持Xn寄存器的高32位不变，如果写W寄存器时，会将X寄存器的高32位设为0。

特殊寄存器
除了31个通用寄存器，还有几个特殊的寄存器：

1、zero register：写操作被忽略，读操作都返回0；
2、SP/WSP：当前栈指针；
3、PC program counter：ARMv7指令集使用通用寄存器R15作为PC，直接操作PC可以做一些机智的编程操作，但是ARMv8不能直接进入PC，这使返回更好预测，并且使ABI规范更加简单；
4、ELR / SPSR：当armV8执行在AArch64，每个ELn异常返回状态取决于ELR和SPSR
ELR： exception link register 保存exception返回地址
SPSR： saved processor state register 执行exception前保存当前的processor state, 执行exception完返回时restore
在ARMv8中，如果异常发生在EL1,就使用SPSR_EL1,如果发生在EL2, 使用SPSR_EL2，如果发生在EL3, SPSR_EL3使用
ELR 和SPSR时成对的，其和对应的ELn相关

5、SP 每个 exception level 都有对应的 SP：

Armv8有32个 128bit的浮点寄存器 V0-V31. 这32个寄存器用来处理标量浮点预算和NEON指令。

指令集

A64指令的编码是固定的32bits；A32指令的编码也是固定的32bits；T32指令编码是可变长的16bits、32bits。
​ ARM指令使用的是 三地址码 , 它的格式如下:

​ {} {S} , ,
opcode：操作码，也就是助记符，操作码，也就是助记符，说明指令需要执行的操作类型
cond：指令执行条件码，在编码中占4bit，0b0000 -0b1110
S：条件码设置项,决定本次指令执行是否影响PSTATE寄存器响应状态位值
Rd：目标寄存器，A64指令可以选择X0-X30 or W0-W30
Rn：第一个操作数的寄存器，和Rd一样，不同指令有不同要求
shifter_operand：第二个操作数，可以是立即数，寄存器Rm和寄存器移位方式（Rm，#shit）

指令分类

• 跳转指令：条件跳转、无条件跳转（#imm、register）指令；
• 异常产生指令：系统调用类指令（SVC、HVC、SMC）；
• 系统寄存器指令：读写系统寄存器，如 ：MRS、MSR指令 可操作PSTATE的位段寄存器；
• 数据处理指令：包括各种算数运算、逻辑运算、位操作、移位(shift)指令；
• load/store内存访问指令：load/store {批量寄存器、单个寄存器、一对寄存器、非-暂存、非特权、独占}以及load-Acquire、store-Release指令 （A64没有LDM/STM指令）；
• 协处理器指令：A64没有协处理器指令。

常见指令
add：将某一寄存器的值和另一寄存器的值 相加 并将结果保存在另一寄存器中

add x0, x0, #1; 将寄存器 x0 的值和常量 1 相加后保存在寄存器 x0 中add x0, x1, x2; 将寄存器 x1 和 x2 的值相加后保存到寄存器 x0 中add x0, x1, [x2]; 将寄存器 x1 的值加上寄存器 x2 的值作为地址，再取该内存地址的内容放入寄存器 x0 中

mov：把一个寄存器的值(要能用立即数表示)赋给另一个寄存器，或者将一个常量赋给寄存器，将后边的量赋给前边的量

mov R1, R0 ; 将寄存器R0的值传送到寄存器R1mov PC, R14 ; 将寄存器R14的值传送到PC，常用于子程序返回mov R1, R0, LSL#3; 将寄存器R0的值左移3位后传送到R1（即乘8）movs PC, R14; 将寄存器R14的值传送到PC中，返回到调用代码并恢复标志位

sub：用于把操作数1减去操作数2，并将结果存放到目的寄存器中。操作数1应是一个寄存器，操作数2可以是一个寄存器，被移位的寄存器，或一个立即数。该指令可用于有符号数或无符号数的减法运算

subR0, R1, R2 ;R0 = R1 - R2subR0, R1, #256 ;R0 = R1 - 256subR0, R2, R3, LSL#1;R0 = R2 - (R3 << 1)

异常模型及处理器模式

异常模型
Armv8有四种Exception Level，分别是EL0，EL1，EL2，EL3

注意处理器异常等级有如下规则：

• ELx(x<4)，x越大等级越高，执行特权越高
• 执行在EL0称为非特权执行
• EL2 没有Secure state，只有Non-secure state
• EL3 只有Secure state，实现EL0/EL1的Secure和Non-secure之间的切换
• EL0 & EL1 必须要实现，EL2/EL3则是可选实现