2020年01月21日 | arm系列知识框架

【ARM编程模型】

 硬件: 电路原理图
 软件: 体系结构, 指令集, 寄存器组

【ARM编程技术】

 汇编/C语言 编译, 链接, 烧写和调试
 windows: MDK
 linux  : gcc

【ARM接口编程】

 电路原理图
 datasheet ------> 裸机程序(不带操作系统,直接操作硬件)
 中断技术
 初始化程序
 

【 ARM基础知识】

 1. 冯·诺依曼结构特点:
      采用二进制表示数据和程序
      事先存储程序
      利用控制流来驱动程序
      五大部件
 
 2. CPU = CU + ALU
        CPU: 解释并执行指令的功能部件
        CU: 译码并发出各种控制信号
        ALU: 运算

 3. 常见存储器
      RAM: (掉电丢失数据)
      SRAM: 静态 96KB 
      DRAM: 动态(SDRAM, DDRII(256MB))

      ROM: (掉电不丢失数据)
         PROM
         EPROM
         E2PROM
         BIOS

      flash:
         norflash : 2MB  有地址线, 片上执行(CPU可以直接访问), 读数据速度快, 存储启动程序
         nandflash: 256MB 无地址线, 不片上执行, 存储大数据量数据

【ARM体系结构】

1. ARM : advanced RISC machine
    含义: 
          公司
          技术
          微处理器

2.编程模型
    1)数据和指令类型: 
        ARM处理器支持: 8bit, 16bit, 32bit数据
        Thumb指令集, ARM指令集
       
       半字对齐: 被2整除 [0]=0
       字对齐 : 被4整除  [1:0]=00

    例子:
    运行地址    机器码    机器码符号化
    0x00000000  E3A00001  MOV  R0,#0x00000001

    2)处理器工作模式
        ARM处理器一般支持 7 种基本工作模式
        不同的工作模式对应着不同的寄存器
   
        特殊寄存器: R13(SP), R14(LR), R15(PC), CPSR, SPSR

        程序指针PC (r15): 程序执行到哪里(地址), PC指针指到哪里(地址)

3. 异常处理过程
    产生:(硬件过程)
        1. CPSR ---> SPSR_mode
        2. 设置CPSR
            CPSR[5]  = 0  处理器处于ARM状态
            CPSR[4:0]=mode  异常工作模式
            CPSR[7:6]=11  根据实际情况

       3. 返回地址--->LR_mode
       4. PC ---> 异常向量表入口地址
       5. 保护现场(堆栈)

    退出:(软件过程)
       1. SPSR_mode ---> CPSR
       2. LR_mode----> PC 
       3. 恢复现场(堆栈)

    注意: 异常产生,退出时,ARM处理器必须处于ARM工作状态

【指令集】

 1. RISC: 精简指令集系统
   特点:
       机器码是固定长度
       指令规整简单
       单周期执行, 容易流水线机制
       大量寄存器
       访问存储设备: 加载,存储, 交换

 2. ARM指令格式
      操作码  +  目标寄存器  + OP1 + OP2....
      |---助记符
      |---条件码

 3. 第二操作数寻址方式
      立即数寻址:  mov r1, #1
      寄存器寻址:  mov r0, r1
      移位寻址  :  mov r0, r1, lsl #2
      寄存器间接:  ldr r0, [r1]
      基址寻址  :  ldr r0, [r1, #2]
      多寄存器  :  ldmia r0!, {r0-r7}
      堆栈寻址  :  stmfd sp!, {r0-r12, lr}
      相对寻址  :  b label

【系统设计】

 1. SOC概念:
  　system on chip
  
  　ARM芯片 = ARM内核 +  片内存储器  + 片内各种电路
  　S5PC100   cortex-A8    SRAM...   各种控制器

 2. 指令流水线
  　在编译器中, 黄色箭头指向的地址  =  执行PC  = R15(PC)

  　ARM态: 
       PC值 = 当前执行指令PC + 8 
   　 (取指PC)

 　 Thumb态: 
       PC值 = 当前执行指令PC + 4 
    　(取指PC)
    
  　例如:
    add pc, pc, #4  ; PC  = PC + 4
          ; R15 = 取指PC + 4
 
 3. ARM920T = ARM9TDMI + I/D cache + MMU + cp14 + cp15

【ARM指令集】

1. 条件执行及标志位
　 cmp: 功能相当于减法运算,不保存结果, 但影响标志位
 
   条件码: 16条, AL

2. 分支指令
   B : 相当于C语言goto label, 不带返回地址
   BL: 相当于C语言函数调用, 处理器自动保存下一条指令的返回地址 ---> LR

   跳转范围 = 偏移量(机器码低24位) * 4 + 当前PC值(取指PC)
            = 0x1 * 4 + (0x8+8)
            = 0x14

   例子:
     0x00000008  EB000001  BL        0x00000014

  长跳转:
  ldr pc, =label

  注意: B,BL指令是位置无关指令

3. 数据处理指令
   注意: 上述指令只能对寄存器操作，不能针对存储器

   ADD SUB AND EOR ORR
   CMN CMP TST TEQ BIC

4. 桶型移位器
 　逻辑移位: lsl  lsr
　 算术移位: asr
 　循环移位: ror  左移 = 32 - 右移

5. 立即数
 　第二个操作数有12位:
   低8位: 常数
   高4位: 移位次数---> 循环右移 * 2

   如何判断常数是否是合法立即数?
　 1. 利用编译器
 　　 例如:
   　 0x00000004  E3A014FF  MOV       R1,#0xFF000000
      　 低8位: 0xff
       　高4位: 4 * 2 = 8(循环右移8位) 

 　2. 规则
 　 1. 找出8位常数
   　　第一个"1"和最后一个"1",  最短距离不能超出8位
  
  　2. 常数能否循环右移偶数位

6. 装载32 bit常数
 　伪指令: 不会生成一一对应的机器码

 　ldr r0, =const
   　 const: 符合立即数  mov r0, #const
    　const: 不符合立即数 ldr r0, [pc, #offset]
   

7. 单寄存器数据传送
　 ldr: 读 源寄存器在后, 目标寄存器在前
　 str: 写 源寄存器在前, 目标寄存器在后

 　前索引: LDR r0,[r1,#8]   后索引: LDR, R0,[R1],#8

8. 块数据传送
 　ldm: 读 源寄存器在后, 目标寄存器在前
　 stm: 写 源寄存器在后, 目标寄存器在前

 　操作多寄存器访问:
 　 1. 低编号的寄存器对应着低地址数据
 　 2. 读取存储设备数据分别存放在寄存器参数列表中
 　 3. 指针向上/下移动

9. 堆栈

 　1)堆栈指针移动方向:
  　　向上: 写入数据(压栈), 指针递增
 　　 向下: 读取数据(出栈), 指针递减
 
　 2) 满堆栈: 堆栈指针指向最后入栈的有效数据的位置
    　空堆栈: 堆栈指针指向等待下一个入栈的数据的空位置
 

　 STMFD (压栈)
　 LDMFD (出栈)

　 注意: 运行C语言main函数之前,必须确保堆栈空间已经设置好了!!!

　 异常处理退出过程: 软件过程中
  　　1. SPSR--->CPSR
  　　2. LR  --->PC
 　　 3. 恢复现场

 　例如:
  　　保护现场:  stmfd sp!, {r0-r12, lr}
  
  　　恢复现场:  ldmfd sp!, {r0-r12, pc}^
      
      解释: 堆栈列表中, 如果有"PC"和"^"同时存在, 表示处理器自动将SPSR_mode ---> CPSR, LR_mode--->PC

10. SWP软交换
 　 作用: 原子操作, 不可被外部因素打断.
    唯一一条原子操作的访存指令

11. 软件中断 (SWI)
    格式:
    swi 软中断号

    swi是一种用户自定义指令,当执行到swi指令时, 跳转到异常向量表0x8入口地址, 自动切换到SVC工作模式

12. PSR 传送指令
    msr/mrs  设置CPSR/SPSR指令

【异常处理过程】

1、产生:(硬件过程)
   1. CPSR ---> SPSR_mode
   2. 设置CPSR
    　CPSR[5]  = 0  处理器处于ARM状态
   　 CPSR[4:0]=mode  异常工作模式
   　 CPSR[7:6]=11  根据实际情况

   3. 返回地址--->LR_mode
   4. PC ---> 异常向量表入口地址
   
   5. 保护现场(堆栈)

2、退出:(软件过程)
   1. SPSR_mode ---> CPSR
   2. LR_mode----> PC 
   3. 恢复现场(堆栈)

  注意: 异常产生,退出时,ARM处理器必须处于ARM工作状态

【异常返回地址】

 　前提: 在异常产生的时候内核设置 LR_mode = PC - 4

【搭建linux下ARM开发环境】

 1. 将arm-none-eabi-4.2.2.tgz拷贝到ubuntu /usr/local目录,然后解压
 2. 将解压之后生成arm目录,改变权限
 3. 将交叉开发工具链的路径: /usr/local/arm/4.2.2-eabi/usr/bin 
    添加到 /etc/environment
 4. 更新工具链路径
  　source /etc/environment

arm_project工程有:
  start.S uart.c serial.c
  1. 将源文件编译生成 *.o文件   gcc
  2. 将*.o文件链接生成*.elf文件  ld
  3. 将*.elf文件转换生成*.bin文件  objcopy
  4. 将*.elf文件反汇编生成*.dis文件 objdump

【系统时钟】

 1. 各种不同的外围设置需要的工作频率:
      CPU: 667MHZ
      内存: 200MHZ
      串口: 115200bps
      ...
      ...
 
 2. 设置不同的外围设备需要的工作频率:
      如何设置不同的工作频率?
          12MHZ ---> 667MHZ工作频率   倍频
          最高工作频率---> 各种不同的设备  分频
  
      PLL锁相环