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ARM应用笔记一、 ARM体系结构 ARM是Advanced RISC Machines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：ARM V1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。ARM V2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。ARM V3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。ARM V4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。ARM V5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。ARM V6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。ARM V7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V1ARM1V2ARM2V2aARM2As， ARM3V3ARM6，ARM600，ARM610，ARM7，ARM700，ARM710V4Strong ARM，ARM8，ARM810V4TARM7TDMI,ARM710T,ARM720T,ARM740TARM9TDMI,ARM920T,ARM940TV5TEARM9E-S，ARM10TDMI，ARM1020EV6ARM1136J(F)-S,ARM1176JZ(F)-S,ARM11 MPCOREV6T2ARM1156T2(F)-SV7ARM Cortex-M，ARM Cortex-R, ARM Cortex-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Windows CE、Linux、Palm OS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Windows CE、Linux、Palm OS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Windows CE、Linux、Palm OS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Windows CE、Linux、Palm OS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、 ARM Cortex微处理器系列（1）ARM Cortex-MARM Cortex-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2442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）ARM Cortex-RARM Cortex-R系列处理器目前包括ARM CortexR4和ARM Cortex-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。ARM CortexR4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。ARM Cortex-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-Point Unit)。（3）ARM Cortex-AARM v7-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。ARM Cortex-A8处理器是基于ARMv7架构的首款应用级处理器。运算能力：600MHz1GHz。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-M31、 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+42、 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R0R15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R0R12：用于数据操作。大部分16位Thumb指令只能访问R0R7，32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。3、 操作模式和特权级别处理模式（Handler mode）和线程模式（Thread mode），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。4、 体系的异常、中断及向量表嵌套向量中断控制器（NVIC，Nested Vectored Interrupt Control）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（1240）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。5、 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。Bit31-24Bit23-16Bit15-8Bit7-0字节格式D7:0D7:0D7:0D7:0半字格式D15:8D7:0D15:8D7:0字格式D31:24D23:16D15:8D7:0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。Bit31-24Bit23-16Bit15-8Bit7-0字节格式D7:0D7:0D7:0D7:0半字格式D7:0D15:8D7:0D15:8字格式D7:0D15:8D23:16D31:24（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：0x2000 00000x200F FFFF（SRAM区最低1MB地址）；0x4000 00000x400F FFFF（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：0x2200 00000x23FF FFFC；0x4200 00000x43FF FFFC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*4AliasAddr:位别名区中的地址BitAlias_BaseAddr：位别名区的基地址，0x2200 0000或0x4200 0000BitOp_BaseAddr：位操作区的基地址，0x2000 0000或0x4000 0000BitAddr：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1、 寻址方式寄存器寻址MOV R1,R2SUBR0,R1,R2立即寻址SUBS R0,R0,#1MOV R0,#0XFF000寄存器移位寻址MOVR0,R2,LSL #3ANDSR1,R1,R2,LSL R3寄存器间接寻址LDRR1,R2基址寻址LDRR2,R3,#0X0CSTRR1,R0,#-4多寄存器寻址LDMIASP!,R4-R11,PCSTMIAR1!,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