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ARM处理器工作模式及寄存器结构

来源:21ic发布日期:2018-05-29浏览次数:0
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


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