03_ARM体系结构_Cortex-A系列

1. 如何来学习ARM结构体系

内容大纲

• 1、ARM架构和处理器
• 2、工具、操作系统和开发板
• 3、ARM寄存器、数据类型、模式和指令集
• 4、ARM汇编语言
• 5、SIMD和NEON
• 6、ARM缓存(Caches)架构
• 7、内存管理单元
• 8、中断处理(Interrupt Handling)
• 9、异常处理(Exception Handling)
• 10、启动代码
• 11、多处理器结构

官方资料

• 架构资料

2. ARM架构和处理器

3. 相关术语介绍

• 架构版本演变
  ARMv4 -> ARMv5 -> ARMv6 -> ARMv7

• 相关术语

  • 流水线：三级流水：取值(Fetch) - 译码(Decode) - 执行(Exe)
  • DSP - 数字信号处理
  • Jazelle：ARM针对java的
  • ThumbEE：Thumb指令是辅助ARM指令的另外一个指令
  • Thumb-2：
  • TrustZone：
  • VFP(Vector Floating-Point)：浮点运算
  • Advaced SIMD(NECO)：
  • Large Physical Address Extension(LPAE)：大物理地址扩展
  • Virtualization：虚拟化
  • Big LITTLE：大小核 - 省电

• A系列关键技术点

  • 32位RISC处理器，有16个32位的 可见寄存器
  • 哈佛结构(指令和数据分开)
  • Thumb-2 指令支持
  • VFP和NEON可选
  • 向后兼容
  • 4GB虚拟地址空间和最小4GB物理地址(4GB寻址)
  • 内存虚拟页大小 4KB、64KB、1MB 和 16MB
  • 大小端数据访问支持

4. 工具、操作系统和开发板

4.1. 有用的工具

• QEMU：Linux虚拟机

QEMU是一套由Fabrice Bellard所编写的模拟处理器的自戌软件。它与Bochs,PearPC近似，但其具有某些后两者所
不具备的特性，如高速度及跨平台的特性.。经由kqeu这个开源的加速器，QEMU能模拟至接近真实电脑的速度。

• BusyBox：做Linux的根文件系统

BusyBox是一个集成了一百多个最常用Iiux命令和工具的软件。BusyBox包含了一些简单的工具，例如ls、cat和
echo等等，还包含了一些更大、更复杂的工具，例如grep、fnd、mount以及telnet。有些人将BusyBox称为Linux
工具里的瑞士军刀。简单的说BusyBoxs就好象是个大工具箱，它集成压缩了Liux的许多工具和命令，也包含了
Android系统的自带的shell。

• Scratchbox：交叉编译工具

Scratchbox是一个帮助嵌入式Linux跨平台编辉工具的集合，其目的主要是使得嵌入式Linux应用程序开发更加容易，
他也提供了完整的集成工具链以用来跨平台编译集成出一个Liu以发布版。
这个计划最初是由Movial开发以及由Nokia赞助，是符合GNU General Public License(GPL)发布的·

• uboot：做Linux的bootloader

U-Boot,全称Universal Boot Loader,是遵循GPL条款的开放源码项目。大名鼎鼎的开源Bootloader

• UEFI and Tianocore

UEF统一可扩展部件接口，它的诞生，以及我们要绕过它。

4.2. ARM软件工具链(ToolChains)

• 两个工具链

  • GNU 包含gcc
  • ARM 包含armcc

• 用工具链生成镜像的过程

  • 预处理 编译 汇编 链接

4.2.1. GNU Toolchain

• GNU工具链既可以用来开发内核也可以用来开发应用程序，包含以下组件

  • GNU make
  • GNU Compiler Collection (GCC)
  • GNU binutils linker,assembler,and other object/library manipylation tools
  • GNU debugger (GDB)
  • GNU build system (autotools)
  • GNU C library (glibc or eglibc)

• 其他工具

  • addr2line：把程序地址转换位文件名和行号
  • ar：简历、修改、提取归档文件
  • as：主要用来编译GNU C编译器gcc输出的汇编文件
  • ld：GNU链接器
  • nm：列出目标文件中的符号
  • objcopy：文件格式转换。
  • objdump：显示一个或者更多目标文件的信息，主要用来反编译
  • ranllib：产生归档文件索引，并将其保存到这个归档文件中
  • readelf：显示elf格式可执行文件的信息
  • size：列出目标文件每一段的大小及总体的大小
  • strings：打印某个文件的可打印字符串
  • strip：丢弃目标文件中的全部或者特定符号，减小文件体积

• ubuntu中安装标准工具链

  • sudo apt install gcc g++ gcc-doc

• ubuntu中安装交叉工具链

  • sudo apt-get install gcc-arm-linux-gnueabi eabi embedded(嵌入式) application(应用) binary(二进制) interface(接口)

gnu官方网址下载：https::/www.linaro.org/downloads

开发板工具包里有：arm-linux-gcc-4.5.1-v6-vfp-20120301.tgz
解压缩之后加入到系统路径底下即可用

4.2.2. ARM 编译工具

ARM Compiler需要付费

5. ARM寄存器模式

5.1. ARM指令集和Thumb指令集

• ARM指令 - 32位指令集
• Thumb指令 - 16位指令集(代码密度更高，但性能低)
• Thumb-2 16位和32位混合指令集（ Cortex-A支持）

5.2. CPU组成

• ALU：逻辑运算单元 (运算器)
• 控制器
• 寄存器：CPU内部存储器
• 内部总线

5.3. 处理器模式

ARM架构有9种处理器模式，8种特权模式，一种非特权模式，即用户模式

5.4. 寄存器

• 通用寄存器(存放通用数据 32bit)：R0、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、
• 栈指针：R13 (SP)
• 链接寄存器：R14 (LR) 存储子程序返回地址
• 程序计数器：R15 (PC)
• 应用程序状态寄存器/当前程序状态寄存器：APSR/CPSR
• 已存储程序状态寄存器：SPSR

1、R0 - R12 通用寄存器，放通用数据，32 bit
2、各个模式的R0-R12与USER模式是共享的(除了FIQ,R8-R12),PC,CPSR共享的
3、USR模式没有SPSR

例子
1、程序返回：其实就是 MOV PC,LR (LR -> PC)
2、跳转：BL

• CPSR 指令格式
  • N：ALU负数
  • Z：ALU零位
  • C：ALU 进位操作
  • V：ALU操作溢出
  • Q：累计饱和instructions
  • J：是否Jazelle状态
  • GE[3:0]：SIMD指令使用
  • IT[7:0]：Thumb-2指令的 if...then条件执行
  • E：操作存储的字节顺序
  • A：是否disable异步abort
  • I：disables IRQ

5.5. 指令流水线Pipeline

• 三级指令流水线
  取指-译码-执行

• 扩展到五级流水

  • 指令预读取(决定从哪儿取指令) PreFetch
  • 指令读取(从内存系统中读取指令)
  • 指令译码(解读指令并且生成控制信号)
  • 寄存器读取(提供寄存器的值给操作单元)
  • 分配(分配指令给执行单元)
  • 执行(实际的ALU单元处理)
  • 内存访问(数据的存取)

• 多处理流水线
  双ALU流水线和超标量流水线(Cortex-A8/A9)

5.6. 分支预测

现在的动态预测 BTAC

• 返回栈(Stack Return) 预测子程序返回地址
  存在哪里

6. ARM汇编语言

程序 = 数据结构 + 算法

6.1. 导言

• 向寄存器里添加一个值添加100

X86：add eax,#100
68K：ADD #100,D0
ARM：ADD r0,r0,#100

• 从一个寄存器指针加载到寄存器

X86：mov eax,DWORD PTR [ebx]
68K：MOVE.L (A0),D0
ARM：ldr r0,[r1]

• 一个完整的ARM汇编指令格式 Operation(cond)(s) Rd,Rn,Operand2
  • Operation 操作指令 例如ADD
  • cond 条件
  • s 状态
  • Rd 目标寄存器
  • Rn 源寄存器
  • Operand2 后续附加操作

例如

    AREA testhello,CODE,READONLY
    ENTRY
    CODE32
START
    ADD R1,R2,#4
    MOV R5,R1
    END

• AREA testhello,CODE,READONLY AREA表示一个区域，后面跟的区域名，CODE表示该段放在代码区，READONLY表示只读
• ENTRY 表示入口
• CODE32表示用32位指令
• START 表示程序起使处
• ADD R1,R2,#4 将R2寄存器里的值加上4给R1
• MOV R5,R1 将R1里的值给R5

# 后面表示立即数，立即数条件：

上面两个指令，缺少条件指令和状态指令

• 条件指令

MOVEQ R5,R1 将R1里的值给R5
这里的EQ是条件指令，表示上一条比较语句的成员如果相等的话则移动数据
还有很多条件语句，例如NE不相等CS等，可以查手册

• 状态指令
  N Negetive
  Z Zero
  C Carry 进位
  V overflow 溢出

关于立即数：https://blog.csdn.net/tabactivity/article/details/90266999

6.2. 寻址方式

• 立即数寻址
  • ADD R0,R0,#0X3F
• 寄存器寻址
  • ADD R0,R1,R2
• 寄存器间接寻址
  • LDR R0,[R1] 把R1存的值当作内存地址，取该内存地址的值放到R0
  • STR R0,[R1] 把R0放到内存地址里
• 寄存器移位寻址
  • ADD R3,R2,R1,LSL #2 把R1里的数左移两位，加上R2的值给R3
• 基地址寻址
  • LDR R0,[R1,#4] 将R1里的值+4所得到的值作为内存地址，取内存地址里的值给R0
  • LDR R0,[R1],#4 将R1里的值作为内存地址，取出的值+4给R0
  • LDR R0,[R1,R2] 将R1的值加上R2的值作为地址取出的值给R0
• 多寄存器寻址
  • LDMIA R0,{R1,R2,R3,R4} 所有寄存器里的值全部加起来赋给R0
• 相对寻址
  • BL NEXT 跳转 到NEXT标号
  • MOV PC,LR 把LR寄存器的值给PC 也有跳转的作用

熟悉以下几个概念

• 满堆栈
• 空堆栈
• 递增堆栈
• 递减堆栈

6.3. 算数操作

• 数学操作

• 逻辑操作

• 比较操作

6.4. 内存操作

• 单寄存器读写指令

• 多寄存器内存访问指令

地址模式
数据块模式：IA (传输后地址加4)、IB (传送前地址加4)、DA (传送后地址减4)、DB (传送前地址减4)
堆栈模式：EA (空递减堆栈)、FD (满递减堆栈)、ED (空递增堆栈)、FA (满递增堆栈)

基地址不能用R15

• 数据交换指令

6.5. 跳转操作

• 跳转、状态操作

• 状态寄存器操作：把32位指令分为4个域：[7:0]控制位域c，[15:8]扩展位域x，[23:16]状态位域s，[31:24]条件位域f

• 异常产生的指令

6.6. 伪指令

6.6.1. 伪指令作用及类别

我们的指令已经可以做各类操作了，但我们操作起来太麻烦了。
比如我现在要设置一个值给寄存器R0，但下次我修改了寄存器R0之后又需要读出来刚才的值，那我们就要先临时保存值到SPSR or CPSR,然后不断切换。
再比如，我们要做一个循环，就要用label结合BL不断进行，但如果我们要循环很多次。
我们就定义了一些类似于带参数的宏的操作一样，来定义我们的伪指令，方便我们更好的实现汇编程序逻辑。伪指令只是在汇编器之前作用，汇编之后会翻译为标准的汇编指令集。
我们又分为ARM汇编伪指令和GNU汇编伪指令。

6.6.2. 基本常用伪指令

6.6.3. 在汇编语言程序中常用的符号

6.6.3.1. 符号命名原则

• 符号区分大小写，同名的大、小写符号会被编译器认为是两个不同的符号。
• 符号在其作用范围内必须唯一·
• 自定义的符号名不能与系统的保留字相同。
• 符号名不应与指令或伪指令同名
• 关于ADS里面可恶的Tab和顶行"ADS Style"

6.6.3.2. 符号、变量

ARM (Thumb)汇编程序所支持的变量有数字变量、逻辑变量和字符串变量

定义变量存储在寄存器中还是内存中？
内存中。

6.6.3.3. 常量

• 数字常里一般为32位的整数，当作为无符号数时，其取值范围为0_{232-1，当作为有符号数时，其取值范围为-231}231-1。
• 逻辑常里只有两种取值情况：真或假。
• 字符串常里为一个固定的字符串，一般用于程序运行时的信息提示

6.6.3.4. 变量代换

程序中的变里可通过代换操作取得一个常里。代换操作符为“$”

Sample
LCLS S1
LCLS S2
S1 SETS“Test!w
S2 SETS“This is a SS1”；字符串变里S2的值为“This is a Test!”

6.6.3.5. 表达式和运算符

• “+”、“-”、“×”、“/”及“MOD”算术运算符
• “ROL”、“ROR”、“SHL”及“SHR”移位运算符
• “AND”、“OR”、“NOT”及“EOR”按位逻辑运算符
  逻辑表达式及运算符
• “=”、“>”、“<”、“>=”、“C=”、“/e”、“<>”运算符
• “LAND”、“LOR”、“LNOT”及“LEOR”运算符

6.6.4. 寄存器操作

6.6.5. 数据定义伪汇编

6.6.6. 控制伪指令

6.7. 混合编程

6.7.1. 为什么要混合编程

1、可扩展性、可维护性
2、兼容性

6.7.2. 汇编和C、C++混合编程的方式

汇编语言与C/C++的混合编程通常有以下几种方式：

• 在C/C++代码中入汇编指令。
• 在汇编程序和C/C++的程序之间进行变里的互访
• 汇编程序、C/C++程序间的相互调用。

6.7.3. C语言嵌入汇编

格式：__asm [volatile]{instruction} [;instruction]

限制条件

• 不能直接向PC寄存器赋值，程序跳转要使用B或者BL指令
• 在使用物理寄存器时，不要使用过于复杂的C表达式，避免物理寄存器冲突
• R12和R13可能被编译器用来存放中间编译结果，计算表达式值的时候京可能的把R0-R3、R12及R14用于子程序调用，因此避免直接使用这些物理寄存器

6.7.4. C语言调用汇编

C语言调用汇编步骤
1、汇编export
2、C语言定义extern function
3、C语言使用

C语言和汇编语言之间的参数传递是通过对应的用R0-R3来进行传递，即R0传递第一个参数，R1传递第二个参数，多于4个的时候借助栈完成，函数的返回值通过R0来传递、
这个规定叫做ATPCS。

6.7.5. 汇编调用C语言

汇编使用C语言步骤
1、C语言实现函数
2、汇编import函数名
3、BL函数名

int cFun(int a,int b,int c)
{
    return a+b+c;
}

start
    MOV R0,#1
    MOV R1,#2
    MOV R2,#3
    BL cFun
    MOV R4,R0

最终结果通过R0返回，赋给R4

6.7.6. 汇编常用操作

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