ARM处理器工作模式及寄存器结构

 一、ARM的指令结构

1、ARM汇编程序组成：

汇编指令+伪操作+宏指令(instruction directive pseudo-instruction);

伪操作：定义符号、数据等使用

宏指令：使用宏定义指令方式

2、汇编指令的组成：

操作码、操作条件(根据CPSR中的N、Z、C、V等标志)、操作数(源、目的/地址或寄存器)、条件、地址变化等等;

3、ARM指令和简化的Thumb指令可以相互跳转

B、BL、BLX、BX带L表示考虑LR寄存器，而X实现不同指令模式的切换;

4、批量操作地址的方式分类

IA、IB、DA、DB

A：after B：before I：increment D：decrement

亦即：事后递增 事先递增 事后递减 事先递减 四种方式;

5、栈类型及寻址

FD ED FA EA

F：full E：empty D：descending A：Ascending

FULL/EMPTY栈：区别在于指向栈定的指针是否指向有效数据，是则为FULL栈，否则为EMPTY栈;

DESCENDING/ASCENDING: 数据栈按内存地址减小方式增长为DESCENDING栈，相反为ASCENDING栈;

二、ARM的存储系统及MMU和MPU的差别与联系

1、ARM的存储系统

CASHE及WRITE BUFFER技术用于缩小内存和处理器之间差距;

存储类型：ROM(FLASH/ROM)+RAM(SRAM、DRAM、SDRAM[ sychronization DRAM])

ARM采用协处理器CP15来进行存储器的管理;

2、存储器管理单元MMU

MMU可以实现对内存的精细控制：16域\段：1M\大页 64KB\小页 4KB\小页1KB

MMU主要实现的功能：

1、物理地址和虚拟地址的映射;

2、memory读写权限AP的设置;

3、B、C(buffer-ability 和 cachability)是否可以使用cache和写缓冲;

是否使用MMU功能：可以通过CP15的寄存器进行使能设置;

对于MMU实现需要引入页表(translate table)机制，页表存储在内存，系统通常提供一个寄存器来存储页表的基地址，为了解决内存访问速度问题，采用类似cache方式，引入快表TLB(translation lookaside buffer)机制，小的快速的存储期间来存储当前需要访问的地址变换页表。(相应块表可以存在无效、锁定等操作。)

页表中存储着虚拟地址对应的物理地址、访问权限、缓冲特性等。

页表根据设置空间使用情况分为:分为一、二级页表;粗粒度二级表和细粒度二级表;一级页表包含以段为单位的地址变换条目以及指向二级页表的指针。二级页表包含以大小页为单位的地址变换条目。

关于访问控制权限：需要C1寄存器的R、S控制位和页表中AP来共同控制;

关于域：最多支持16个域，设置每个域的访问控制特性，可以控制是否从页表得到访问权限...

3、MPU与MMU差别

MPU只是简单支持MMU一小部分功能：不支持虚拟地址和实地址的映射;不支持页表;(MMU需要更多硬件来支持相应的功能);

MPU最多可以分为8个域，对相应的域进行B、C、AP的设置;

同样CP15可以控制MPU的功能开关，对于域的设置可以存在地址的重叠，一般如果地址重叠，后面的域设置具有更高的优先级;

4、CACHE及WRITE BUFFER技术

cache和写缓冲用来解决CPU速度大于内存的问题，而cache得成本比内存高;

cache高速缓冲存储器，可以数据指令分开，也可以使用同一cache;

cache有写回法和写通法：写回法指CPU写数据写入cache，而写通法是指数据修改cache的同时，也写入内存。

cache内容和内存地址的映射：有全相联映射方式、直接映像方式、组组相联映像方式。

cache的存储空间小于内存，所以存在cache内容的替换问题，ARM中cache的替换算法：随机替换和轮转法

5、快速进程上下文切换(fast context switch extension，FCSE)

主要解决多个进程映射虚拟地址映射重叠问题，简单理解增加了进程ID PID来区分，解决这个引起的开销问题。

小贴士：

1、关于ASR LSR ROR RRX的差别：

--ASR 算数右移;

--LSR 逻辑右移 和ASR差别在符号位;

--ROR 循环右移;

--RRX 带扩展的循环右移 主要是用CPSR中的C填充移入，并且移出的位改写C(carry out)位;

2、使用cache应注意的问题

写入数据只写入cache的情况下，如果硬件如DMA资源直接从物理地址取数据，需要注意同步问题。可以在触发硬件资源之前操作cache内容同步到内存中。

3、子程序参数的传递规则

可变参数：R0~R3,多与4个参数，则用栈来进行传送;返回一个32整数用R0，64位R0-R1，浮点通过f0、D0、s0传送?

4、MMU和MPU差别参考：

ARM Architecture Reference Manual