从单片机转到ARM —— ARM架构基础知识小结

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从单片机转到ARM —— ARM架构基础知识小结

发表于 2020-08-05 10:32:03
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从单片机转到ARM,主要需要学习ARM的架构,ARM相比单片机多了一些外设和总线。在仅仅是裸奔的情况下,如果熟悉了ARM架构,那么可以认为使用任何ARM架构的芯片和用单片机将没有区别。   ARM架构之所以更复杂,当然是为了跑更快以及更好地支持片上系统,所以在某种程度上来说对片上系统不是很了解的话那对于ARM架构的理解也不会那么深。  

      ARM架构基础知识小结         

通用寄存器

R13通常被用作栈指针,进入异常模式时,可以将需要使用的寄存器保存在R13所指的栈中;当退出异常程序时,将保存在R13所指的栈中的寄存器值弹出。R14又被称为连接寄存器(LinkRegister,LR),即PC的返回值。R15又被记作PC。ARM指令是字对齐的,PC的值的第0位和第1位总为0。也就是说是32位对齐。 

就Cortex-M3来说,拥有R0-R15的寄存器组。其中R13作为堆栈指针SP。SP有两个,分别为R13(MSP)和R13(PSP)即主堆栈指针(MSP)和进程堆栈指针(PSP),但在同一时刻只能有一个可以看到,这也就是所谓的“banked”寄存器。这些寄存器都是32位的。           

ARM的各个模式

ARM有以下7种模式:

用户模式(User,usr) :正常程序执行的模式

快速中断模式(FIQ,fiq) :用于高速数据传输和通道处理

外部中断模式(IRQ,irq) :用于通常的中断处理

特权模式(Supervisor,svc) :供操作系统使用的一种保护模式

数据访问中止模式(Abort,abt) :用于虚拟存储及存储保护

未定义指令中止模式(Undefined,und):用于支持通过软件以及硬件的协处理器

系统模式(System,sys) :用于运行特权级的操作系统任务

其中除了用户模式之外都称之为特权模式(privileged modes),而在privileged modes中除了系统模式其它都称为异常模式,即exception mode,意思是“这模式什么时候会发生不好说……”,比如说来了个外部中断也会进入异常模式,但是此时系统是运行完好的。    其中SVC用于在系统刚启动的启动文件BOOT程序中,跳转到kernel之前必须为SVC,SVC具有最高权限,可以对任何寄存器进行操作。在裸机程序中我们有时候会一直处于SVC模式下。    关于什么时候会进入用户模式或者系统模式,比如进入linux kernel之后会设置成sys模式,比如任务调度等等都会在sys模式中,而执行用户编写的应用程序时,系统是处于usr模式中。以上需要在linux中找出证据验证。    其中FIQ、IRQ为中断模式,有中断发生时会进入FIQ模式或者IRQ模式,至于到底是进入哪个模式是由开发者设定的。理论上FIQ模式的响应速度比IRQ模式要快。    其中abt模式通常发生于在访问地址没有对齐时的情况,此时会跳转到abt所属的中断向量地址中去。und模式应该是取到指令之后发现指令不能用,此时会跳转到abt所属的中断向量地址中去。           

启动文件

这一部分只要了解一下协处理器CP15的相关作用以及ARM或者THUMB汇编再看一下网上的例程以及解释应该不难理解。在启动文件中我们可以做任何事情,但是通常我们可以做这些:改变程序大小端排序,关闭看门狗,屏蔽中断,设置各个时钟,设置从SLEEP或者IDLE启动时的程序,初始化SDRAM,设置各模式指向的堆栈,设置好中断向量表,判断是从NOR还是NAND FLASH启动,将文件拷到SDRAM中,运行Main。以上也说明了为什么需要一个汇编写的启动文件,设置各个模式下的SP指针以及初始化中断向量的跳转(ARM的中断较多设置也较灵活)也只有汇编干比较合适了。甚至在SOC(片上系统)中每个任务都有自己的堆栈,所以改变堆栈指针的那一部分程序也是放在汇编里做的。总之了解启动文件是一个非常好的切入点。           

MMU

关于MMU,因为多种存储设备的物理地址不同以及不连贯性,将其地址安放在合理的连续虚拟地址上是很必要的,所以MMU出现了。MMU即将不同的地址放在合适的虚拟地址中,以便调度。比如要跑LINUX必须要有MMU的支持才行。       

ARM920T的三种类型地址

虚拟地址(VA)、变换后的虚拟地址(MVA)、物理地址(PA)

以下是一个当一个指令被请求时地址所做操作的例子:

1. 指令VA(IVA)被ARM920T发出

2. 它被ProcID(当前进程所在的进程空间块的编号)转换成指令MVA(IMVA),指令CACHE(ICACHE)和MMU看到的就是IMVA。

3. 如果在IMMU上的保护模块确认IMVA不会被中断,并且IMVA标签也在ICACHE中,指令数据会读出并返回到ARM920T内核中。

4. 如果IMVA tag并不在ICACHE中,那么IMMU会产生出一个指令PA(IPA)。地址会给AMBA总线接口以获取外部数据。

       

如何使用FCSE PID

920T内核发出的地址都是0-32MB的范围,4GB的逆序空间被分成了1238个进程空间块,每个进程空间块大小为32MB。每个进程空间块中可以包含一个进程。系统128个进程空间块的编号0-127,编号为I的进程空间块中的进程实际使用的虚拟地址空间为(I*0x02000000)到(I*0x02000000+0x01FFFFFF)。所以VA通常高7位都为0时 MVA = VA | (PID << 25)。    当VA高7位不为0时 MVA = VA,这种VA是本进程用于访问别的进程中的数据和指令的虚拟地址,注意这时被访问的进程标识符不能为0。

注意:当FCSE_PID为0时,即当前复位,则当前920T和CACHES及MMU之间是平面映射的关系(很巧妙:))。

TLB是什么

TLB即translate look-aside buffer,快表就是存储几个常用的页表,以提高系统运行的速度。在更新页表之前要使其无效,其操作的寄存器为R8,R8为只写寄存器,如果读它则会造成不可估计的后果。 

       

AP赋值表

DOMAIN的赋值则是在C3中的,32bit共有16个域,每个域分两个bit,这两个bit控制当前域的权限。而以上四个bit是为了选择0-15个域的其中一个。 

       

关于C、B赋值

以下有关于两种写缓存,写通以及写回。写回法是指CPU在执行写操作时,被写的数据只写入cache,不写入主存,仅当需要替换时,才把已经修改的cache块写回到主存中。写通法是指CPU在执行写操作时,必须把数据同时写入cache和主存。 

         

AHB/APB是什么

AHB(AdvancedHigh performance Bus),主要用于系统高性能、高时速速率模块间通信。APB(AdvancedPeripheral Bus),主要用于慢速片上外设与ARM核的通讯。AHB私有外设总线,只用于CM3内部的AHB外设,它们是:NVIC,FPB,,DWT和ITM。APB私有外设总线,既用于CM3内部的APB设备,也用于外部设备(这里的“外部”是对内核而言)。CM3允许器件制造商再添加一些片上APB外设到APB私有总线上,它们通过APB接口来访问。           

四种耗电模式

NORMAL、SLOW、IDLE、SLEEP先配置主PLL MPLL给CPU用。在上电复位的时候PLL是不稳定的,所以在PLLCON在被软件配置之前Fin直接是跳过MPll给FCLK,所以不配置PLLCON也是可以正常工作。即使工作在正常状态下,也可以对MPLLCON进行配置,配置之后等待PLL Lock-time过后内部各模块的CLK才可以被正常供应。

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