2020年01月31日 | arm架构与体系结构

1.cpu与soc

内核版本号与soc版本号由arm公司确定。

芯片型号由各半导体公司确定。

soc包括cpu与一些基本内设。（一般提到CPU都指的是soc，实际上cpu只是soc的一部分）。

RISC与CISC

RISC复杂指令集：指令繁多，但是效率高。Intel等桌面pc使用这种指令集。功耗大。

CISC精简指令集: 指令少，但是效率略低。优点是功耗低适合嵌入式设备。

统一编址&独立编址

　　内存通过CPU的地址总线来寻址定位，然后通过CPU数据总线来读写。CPU的地址总线的位数是CPU设计时确定的，因此一款CPU所能寻址的范围是一定的，而内存是需要占用CPU的寻址空间的。内存与CPU的这种总线式连接方式是一种直接连接，优点是效率高访问快，缺点是资源有限，扩展性差。

　　CPU访问各种外设有2种方式：一种是类似于访问内存的方式，即把外设的寄存器当作一个内存地址来读写，从而以访问内存相同的方式来操作外设，叫IO与内存统一编址方式；另一种是使用专用的CPU指令来访问某种特定外设，叫IO与内存独立编址。

　　由于内存访问频率高，因此采用总线式连接，直接地址访问，效率最高。

　　IO与内存统一编址方式，优势是IO当作内存来访问，编程简单；缺点是IO也需要占用一定的CPU地址空间，而CPU的地址空间是有限资源。

　　IO与内存独立编织方式，优势是 不占用CPU地址空间，缺点是CPU设计变复杂了

哈佛结构&冯诺依曼结构

　　程序和数据都放在内存中，且不彼此分离的结构称为冯诺依曼结构。譬如Intel的CPU均采用冯诺依曼结构。

　　程序和数据分开独立放在不同的内存块中，彼此完全分离的结构称为哈佛结构。譬如大部分的单片机（MCS51、ARM9等）均采用哈佛结构。 

　　冯诺依曼结构中程序和数据不区分的放在一起，因此安全和稳定性是个问题，好处是处理起来简单。

　　哈佛结构中程序（一般放在ROM、flash中）和数据（一般放在RAM中）独立分开存放，因此好处是安全和稳定性高，缺点是软件处理复杂一些（需要统一规划链接地址等）

ARM体系总结

常用ARM汇编指令只有二三十条
ARM是低功耗CPU
ARM的架构非常适合单片机、嵌入式，尤其是物联网领域；而服务器等高性能领域目前主导还是Intel

大部分ARM（M3 M4 M7 M0 ARM9 ARM11 A8 A9等）都是32位架构
32位ARM CPU支持的内存少于4G，通过CPU地址总线来访问
SoC中的各种内部外设通过各自的SFR编程访问，这些SFR的访问方式类似于访问普通内存，这叫IO与内存统一编址。

常见ARM（除ARM7外）都是哈佛结构的
哈佛结构保证了ARM CPU运行的稳定性和安全性，因此ARM适用于嵌入式领域
哈佛结构也决定了ARM裸机程序（使用实地址即物理地址）的链接比较麻烦，必须使用复杂的链接脚本告知链接器如何组织程序；对于OS之上的应用（工作在虚拟地址之中）则不需考虑这么多

CPU和外部存储器的接口

内存 内部存储器 用来运行程序的 RAM 举例（DRAM SRAM DDR）
外存 外部存储器 用来存储东西的 ROM 举例（硬盘 Flash（Nand iNand···· U盘、SSD） 光盘）

　　CPU连接内存和外存的连接方式不同。内存需要直接地址访问，所以是通过地址总线&数据总线的总线式访问方式连接的（好处是直接访问，随机访问；坏处是占用CPU的地址空间，大小受限）；外存是通过CPU的外存接口来连接的（好处是不占用CPU的地址空间，坏处是访问速度没有总线式快，访问时序较复杂）

SoC常用外存：
　　NorFlash 总线式访问，接到SROM bank，优点是可以直接总线访问，一般用来启动。 //小容量

　　NandFlash： 分为SLC和MLC // 
　　eMMC/iNand/moviNand eMMC（embeded MMC） iNand是SanDisk公司出产的eMMC，moviNand是三星公司出产的eMMC //手机内部
　　oneNAND oneNand是三星公司出的一种Nand
　　SD卡/TF卡/MMC卡
eSSD

SATA硬盘（机械式访问、磁存储原理、SATA是接口）

　　外部总线接口(EBI)被用作S5PV210外围。它依赖于内存控制器释放　　外部请求外部总线空闲内存控制器时,因为它没有当内存的知识　　访问将开始或完成。它使一个SROM控制器、一个OneNAND控制器和一个快闪记忆体　　控制器、分享外部内存总线、内存端口0。

启动过程详解

内存：
　　SRAM 静态内存 特点就是容量小、价格高，优点是不需要软件初始化直接上电就能用
　　DRAM 动态内存 特点就是容量大、价格低，缺点就是上电后不能直接使用，需要软件初始化后才可以使用。

　　单片机中：内存需求量小，而且希望开发尽量简单，适合全部用SRAM
　　嵌入式系统：内存需求量大，而且没有NorFlash等可启动介质
　　PC机： 内存需求量大，而且软件复杂，不在乎DRAM的初始化开销，适合全部用DRAM

外存：
　　NorFlash：特点是容量小，价格高，优点是可以和CPU直接总线式相连，CPU上电后可以直接读取，所以一般用作启动介质。

　　NandFlash（跟硬盘一样）：特点是容量大，价格低，缺点是不能总线式访问，也就是说不能上电CPU直接读取，需要CPU先运行一些初始化软件，然后通过时序接口读写。

　　所以一般PC机都是：很小容量的BIOS（NorFlash）+ 很大容量的硬盘（类似于NandFlash）+ 大容量的DRAM

　　一般的单片机： 很小容量的NorFlash + 很小容量的SRAM
　　嵌入式系统：因为NorFlash很贵，随意现在很多嵌入式系统倾向于不用NorFlash，
　　直接用：外接的大容量Nand + 外接大容量DRAM + SoC内置SRAM

　　S5PV210使用的启动方式是：外接的大容量Nand + 外接大容量DRAM + SoC内置SRAM
　　实际上210的启动还要更好玩一些，210内置了一块96KB大小的SRAM（叫iRAM），同时还有一块内置的64KB大小的NorFlash（叫iROM）。210的启动过程大致是：

　　第一步：CPU上电后先从内部IROM中读取预先设置的代码（BL0），执行。这一段IROM代码首先做了一些基本的初始化（CPU时钟、关看门狗···）（这一段IROM代码是三星出厂前设置的，三星也不知道我们板子上将来接的是什么样的DRAM，因此这一段IROM是不能负责初始化外接的DRAM的，因此这一段代码只能初始化SoC内部的东西）；然后这一段代码会判断我们选择的启动模式（我们通过硬件跳线可以更改板子的启动模式），然后从相应的外部存储器去读取第一部分启动代码（BL1，大小为16KB）到内部SRAM。

　　第二步：从IRAM去运行刚上一步读取来的BL1（16KB），然后执行。BL1负责初始化NandFlash，然后将BL2读取到IRAM（剩余的80KB）然后运行

　　第三步：从IRAM运行BL2，BL2初始化DRAM，然后将OS读取到DRAM中，然后启动OS，启动过程结束。

　　思路：因为启动代码的大小是不定的，有些公司可能96kb就够了，有些公司可能1MB都不够。所以刚才说的2步的启动方式不合适。三星的解决方案是：把启动代码分为2半（BL1和BL2），这两部分协同工作来完成启动。