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ARM应用笔记
ARM应用笔记
一、ARM体系结构
ARM是AdvancedRISCMachines的缩写，是一家微处理器行业的知名企业，设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC（精简指令集）处理器。
ARM公司只设计芯片，而不生产。
它技术授权给半导体、软件和OEM厂商，并提供服务。
ARM体系结构的目前7个版本：
ARMV1版架构：
只在原型机ARM1出现过，只有26位的寻址空间，没有用于商业产品。
ARMV2版架构：
对V1版进行了扩展，例如ARM2和ARM3（V2a）架构。
包含了对32位乘法指令和协处理器指令的支持。
同样为26位寻址空间，现在已经废弃不再使用。
ARMV3版架构：
1990年设计的第一个微处理器采用的是版本3的ARM6，作为IP核、独立的处理器、具有片上高速缓存、MMU和写缓冲的集成CPU，V3版架构（目前已废弃）对ARM体系结构作了较大的改动。
ARMV4版架构：
V4版架构在V3版上作了进一步扩充，V4版架构是目前应用最广的ARM体系结构，ARM7、ARM8、ARM9和StrongARM都采用该架构。
V4不再强制要求与26位地址空间兼容。
ARMV5版架构：
V5版架构是在V4版基础上增加了一些新的指令，ARM10和Xscale都采用该版架构。
ARMV6版架构：
V6版架构是2001年发布的，首先在2002年春季发布的ARM11处理器中使用。
在降低耗电量地同时，强化了图形处理性能。
ARMV7版架构：
ARMv7架构是在ARMv6架构的基础上诞生的。
该架构采用了Thumb-2技术，是在ARM的Thumb代码压缩技术的基础上发展起来的，并且保持了对现存ARM解决方案的完整的代码兼容性。
Thumb-2技术比纯32位代码少使用31%的内存，减小了系统开销，同时能够提供比已有的基于Thumb技术的解决方案高出38%的性能。
命名方式上，基于ARMv7架构的ARM处理器已经不再延用过去的数字命名方式，而是冠以Cortex的代呼。
基于v7A的称为“Cortex-A”，基于v7R的称为“Cortex-R”，基于v7M的称为“Cortex-M”。
体系结构
ARM核心
V1
ARM1
V2
ARM2
V2a
ARM2As，ARM3
V3
ARM6，ARM600，ARM610，ARM7，ARM700，ARM710
V4
StrongARM，ARM8，ARM810
V4T
ARM7TDMI,ARM710T,ARM720T,ARM740T
ARM9TDMI,ARM920T,ARM940T
V5TE
ARM9E-S，ARM10TDMI，ARM1020E
V6
ARM1136J（F）-S,ARM1176JZ（F）-S,ARM11MPCORE
V6T2
ARM1156T2（F）-S
V7
ARMCortex-M，ARMCortex-R,ARMCortex-A
二、ARM处理器
1、ARM7微处理器系列
低功耗的32位RISC处理器，冯·诺依曼结构。
极低的功耗，适合便携式产品。
能够提供0.9MIPS的三级流水线结构代码密度高，兼容16位的Thumb指令集。
主频最高可达130MIPS。
对操作系统的支持广泛，包括WindowsCE、Linux、PalmOS等。
指令系统与ARM9系列、ARM9E系列和ARM10E系列兼容，便于用户的产品升级换代。
主要应用领域：
工业控制、Internet设备、网络和调制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用
2、ARM7TDMI微处理器
ARM7TMDI是使用广泛的32位嵌入式RISC处理器，属低端ARM处理器核。
注：
“ARM核”并不是芯片，ARM核与其它部件如RAM、ROM、片内外设组合在一起才能构成现实的芯片。
4种类型：
ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ。
3、ARM9微处理器系列
ARM9系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。
5级整数流水线，哈佛体系结构。
支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。
全性能的MMU，支持WindowsCE、Linux、PalmOS等多种主流嵌入式操作系统。
主要应用：
无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数码照相机和数码摄像机。
3种类型：
ARM920T、ARM922T和ARM940T。
4、ARM9E微处理器系列
单一处理器内核提供微控制器、DSP、Java应用系统的解决方案，支持DSP指令集。
5级整数流水线，指令执行效率更高。
支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。
支持VFP9浮点处理协处理器。
全性能的MMU，支持WindowsCE、Linux、PalmOS等多种主流嵌入式操作系统。
MPU支持实时操作系统。
支持数据Cache和指令Cache，主频最高可达300MIPS。
主要应用：
下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、存储设备和网络设备等领域。
3种类型：
ARM926EJ-S、ARM946E-S和ARM966E-S。
5、ARM10E微处理器系列
与同等的ARM9比较，在同样的时钟频率下，性能提高了近50%，功耗极低。
支持DSP指令集。
6级整数流水线，指令执行效率更高。
支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。
支持VFP10浮点处理协处理器。
全性能的MMU，支持WindowsCE、Linux、PalmOS等多种主流嵌入式操作系统。
支持数据Cache和指令Cache。
主频最高可达400MIPS。
内嵌并行读/写操作部件。
主要应用：
下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、通信和信息系统等领域。
3种类型：
ARM1020E、ARM1022E和ARM1026EJ-S。
6、ARM11微处理器系列
ARM1136J-S发布于2003年，针对高性能和高能效的应用而设计。
集成具有独立load-store和算术流水线的8级流水线。
可进行快速浮点运算，增加了向量浮点单元。
7、ARMCortex微处理器系列
（1）ARMCortex-M
ARMCortex-M3处理器是面向低成本，小管脚数目以及低功耗应用，且具有高运算能力和中断响应能力的处理器32位内核。
Cortex-m3处理器采用了纯Thumb-2指令。
中断延迟最大需12个周期（ARM7为24~42个）。
带睡眠模式，8段MPU（存储器保护单元）。
处理速度1.25MIPS/MHz（ARM7为0.9MIPS/MHz）。
功耗为0.19Mw/MHz（ARM7为0.28mW/MHz）。
目前最便宜的Cortex-M3内核的ARM单片机售价1美元。
（2）ARMCortex-R
ARMCortex-R系列处理器目前包括ARMCortexR4和ARMCortex-R4F两个型号，主要适用于实时系统的嵌入式处理器，如硬盘、打印机、汽车安全系统。
ARMCortexR4采用了90纳米生产工艺，最高运行频率可达400MHz。
基于低耗费的超量8段流水线，带有高级分支预测功能，运算速度超过1.6MPIS/MHz。
ARMCortex-R4F拥有针对汽车市场而开发的各项先进功能，包括自动除错功能、可相互连结的错误侦测机制，以及可选择优化的浮点运算单元（FPU，Floating-PointUnit）。
（3）ARMCortex-A
ARMv7-A系列支持大型嵌入式操作系统（Symbian、Linux、WinCE、WM等）。
典型应用：
高端手机、手持仪器。
ARMCortex-A8处理器是基于ARMv7架构的首款应用级处理器。
运算能力：
600MHz~1GHz。
具有13级整数运算流水线，10级NEON媒体运算流水线。
功耗最优的同时，实现2.0MIPS/MHz的性能。
三、Cortex-M3
8、特点
采用哈佛结构，有独立的指令总线I-Code和数据总线D-Code，具有带分支预测功能的3级流水线。
32位单周期乘法，支持硬件除法。
内核水平上支持低功耗模式，功耗低于0.19mW/MHz；
处理器直接支持8位字节、16位半字或者32位的数据类型。
3级流水线：
取指、译码、执行。
无论处理器处于何种状态，程序计数器R15（PC）总是指向“正在取指”的指令。
PC值=当前程序执行位置+4
9、寄存器
Cortex-M3处理器拥有22个用户可以访问的32位寄存器，包括R0~R15寄存器组合5个特殊功能寄存器。
其中R13作为堆栈指针SP，有两个寄存器。
通用寄存器R0~R12：
用于数据操作。
大部分16位Thumb指令只能访问R0~R7，32位的Thumb指令可访问所有寄存器。
堆栈指针R13（SP）：
有两个堆栈指针，主堆栈指针（MSP，复位后默认的堆栈指针）和进程堆栈指针（PSP）。
连接寄存器R14（LR）：
子程序的返回地址自动存入R14。
程序计数器R15（PC）：
读PC时返回的地址时当前指令的地址+4
程序状态寄存器组（PSRs）：
应用状态寄存器（APSR）、中断状态寄存器（IPSR）和执行状态寄存器（EPSR）。
中断屏蔽寄存器组：
中断屏蔽寄存器PRIMASK、FAULTMASK、优先级屏蔽寄存器BASEPRI，用于控制异常的使能和除能。
控制寄存器CONTROL：
定义特权级别或者选择当前的堆栈指针。
10、操作模式和特权级别
处理模式（Handlermode）和线程模式（Threadmode），用于区别普通应用程序和异常服务程序。
复位时处理器进入线程模式，异常返回后也进入该模式。
特权级和用户级的代码均可在线程模式下运行。
处理模式只能在出现异常时进入，且所有代码都特特权访问。
复位后，处理器进入线程模式和特权级访问。
特权级下，程序可以访问所有的存储器（如果有MPU，MPU规定的除外），并且可执行所有指令。
11、体系的异常、中断及向量表
嵌套向量中断控制器（NVIC，NestedVectoredInterruptControl）支持11中系统异常、240个外部中断输入和fault管理机制。
异常：
所有打断正常执行流的事件。
与“中断”经常混合使用。
“异常”一般是由Cortex-M3内核的活动（执行指令或访问存储器）产生的。
“中断”对于内核来说是“意外的突发事件”，请求信号一般来自内核的外部（片上外设或外扩的设备）。
系统异常是Cortex-M3内核支持的基本异常，与具体的芯片无关。
外部中断是与芯片相关的，芯片厂商根据需要和用途设计中断源数目（1~240）和优先级的位数。
异常发生且得到处理器响应，Cortex-M3硬件自动完成以下操作：
（1）入栈：
将8个寄存器的值压入堆栈
（2）取向量：
从向量表中取出对应异常服务程序的入口地址
（3）更新寄存器：
选择堆栈指针MSP/PSP，更新SP、LR、PC。
12、存储系统
Cortex-M3支持4GB的地址空间，程序可以在代码区、内部SRAM和外部RAM中运行。
（1）存储器格式
位于地址A的字包含的字节地址位于地址A、A+1、A+2和A+3
位于地址A的半字包含的字节位于地址A和A+1
位于地址A+2的半字包含的字节地址位于地址A+2、A+3
位于地址A的字包含的半字位于地址A和A+2
小端（Little-endian）存储器系统：
一个字当中最低地址的字节被看作是最低字节，最高地址的字节被看作是最高位字节。
Bit31-24
Bit23-16
Bit15-8
Bit7-0
字节格式
D[7:
0]
D[7:
0]
D[7:
0]
D[7:
0]
半字格式
D[15:
8]
D[7:
0]
D[15:
8]
D[7:
0]
字格式
D[31:
24]
D[23:
16]
D[15:
8]
D[7:
0]
大端（Big-endian）存储器系统：
处理器将最高位字节保存在最低地址，最低位字节保存在最高地址。
Bit31-24
Bit23-16
Bit15-8
Bit7-0
字节格式
D[7:
0]
D[7:
0]
D[7:
0]
D[7:
0]
半字格式
D[7:
0]
D[15:
8]
D[7:
0]
D[15:
8]
字格式
D[7:
0]
D[15:
8]
D[23:
16]
D[31:
24]
（2）位操作
位操作区：
支持位操作的地址区，包括两个地址范围：
0x20000000~0x200FFFFF（SRAM区最低1MB地址）；0x40000000~0x400FFFFF（片上外设区最低1MB地址）；
位别名区：
对应于位操作区映射的32MB地址区域，包括两个对应的地址范围：
0x22000000~0x23FFFFFC；0x42000000~0x43FFFFFC
位别名：
对位别名地址的访问最终会被变换成对应位操作区的位访问。
AliasAddr=BitAlias_BaseAddr+（BitAddr-BitOp_BaseAddr）*32+BitNumber*4
AliasAddr:
位别名区中的地址
BitAlias_BaseAddr：
位别名区的基地址，0x22000000或0x42000000
BitOp_BaseAddr：
位操作区的基地址，0x20000000或0x40000000
BitAddr：
位操作区中的字地址，将要操作的位在该字中
BitNumber：
要操作的位是第几位
（3）非对齐的存储器访问
对于字来说：
任何不能被4整除的地址都是非对齐的。
对于半字：
任何不能被2整除的地址都是非对齐的。
Cortex-M3支持在单一的访问中使用非对齐的传送。
处理器内部会对非对齐的访问转换成若干个对齐的访问，但是会浪费很多总线周期，影响程序执行效率。
因此建议C语言编程中定义的多字节变量或结构体都是对齐存放。
四、Cortex-M3指令系统
13、寻址方式
寄存器寻址
MOVR1,R2
SUBR0,R1,R2
立即寻址
SUBSR0,R0,#1
MOVR0,#0XFF000
寄存器移位寻址
MOVR0,R2,LSL#3
ANDSR1,R1,R2,LSLR3
寄存器间接寻址
LDRR1,[R2]
基址寻址
LDRR2,[R3,#0X0C]
STRR1,[R0,#-4]
多寄存器寻址
LDMIASP!
{R4-R11,PC}
STMIAR1!
{R3-R9}
堆栈寻址
向上生长：
递增堆栈
向下生长：
递减堆栈
满堆栈：
堆栈指针指向最后压入栈的有效数据项
空堆栈：
堆栈指针指向下一个待压入数据的空位置
STMDBSP!
{R1-R7,LR};入栈，满递减堆栈
LDMIASP!
{R1-R7,LR}；出栈，满递减堆栈
相对寻址
由PC提供基准地址，指令中的地址码字段作为偏移量，两者相加后的地址即为操作数的有效地址。
14、Thumb-2指令集
2.1指令格式
<指令助记符>{<执行条件>}{S}<目标寄存器>,<操作数1的寄存器>{,<第2操作数>}
{}{S},{,}
<>号内是必需的，{}号内是可选的。
2.2存储器访问指令
（1）LDR和STR------加载存储指令
LDR：
从存储器中读取数据放入寄存器；
STR：
将寄存器中的数据保存到存储器。
LDRR1,[R0,#0X12]
（2）LDM和STM------多寄存器加载存储指令
用于较大数据量的复制、参数传递等，实现在一组寄存器和一块连续的内存单元之间传输数据。
LDM{cond}<模式>Rn{！
}，reglist
STM{cond}<模式>Rn{！
}，reglist
模式说明：
IA：
每次传送后地址加4
DB：
每次传送前地址减4
FD：
满递减堆栈
EA：
空递增堆栈
“！
”表示最后的地址写回到Rn中。
2.3数据处理运算指令
（1）数据传送指令
MOVRd，operand2
MVNRd，operand2；加载一个数的反码值
MOVWR1,#0x1234;把16位立即数放到寄存器的低16位，高16位清零
MOVTR1,#0x5678；把16位立即数放到寄存器的高16位，低16位不变
CPYRd，Rn；寄存器间拷贝
（2）算术逻辑运算指令
加法：
ADC、ADD、ADDW
减法：
SBC、SUB、SUBW
移位：
LSL、LSR、ORR、EOR、AND、RRX、ROR、ORN、ASR、BIC
（3）位段处理指令
位段清零：
BFC
位段插入：
BFI
位反转：
RBIT
位段提取：
SBFX、UBFX
（4）字节序反指令
REV、REV16、REVSH
（5）带符号扩展指令
（6）比较指令
（7）乘除法和饱和运算指令
2.4分支转移指令
2.5杂项指令
2.6伪指令
升级会员 