ARM知识点讲解

硅谷芯微技术学院网址 http www threeway cc 1 ARM 处理器工作模式有几种 各种工作模式下分别有 什么特点 答 ARM 处理器有 7 种工作模式 这 7 种模式及其特点 是 快速中断模式快速中断模式 fiq 支持高速数据传输或通道处理 外部中断 fiq 信号有效 且 CPSR 的 F 0 进入 中断模式中断模式 irq 用于通用中断处理 外部中断 irq 信号有效 CPSR 的 I 0 进入 管理员模式管理员模式 svc 操作系统的保护模式 复位 软件中断复位 软件中断进入 主要用 于 SWI 软件中断 和 OS 操作系统 这个模式有额外的 特权 允许你进一步控制计算机 中止模式中止模式 abt 支持虚拟内存和 或内存保护 预取指令中止预取指令中止 数据中止数据中止 进入 未定义模式未定义模式 und 支持硬件协处理器的软件仿真 浮点 向量运算 未定义指令未定义指令进入 系统模式系统模式 sys 支持操作系统的特殊用户模式 运行操作系统任务 用户模式用户模式 usr 正常的程序执行模式 此模式应用程序不能访问受操 作系统保护的资源 不能改变模式 除非异常发生 2 ARM 处理器总共有多少个寄存器 这些寄存器按其 在用户编程中的功能是如何划分的 这些寄存器在使用中 各有何特殊之处 答 答 ARM 微处理器共有微处理器共有 37 个个 32 位寄存器 其中位寄存器 其中 31 个个 为通用寄存器 为通用寄存器 6 个为状态寄存器 个为状态寄存器 31 个通用寄存器根据其编程特点可分为如下几种类个通用寄存器根据其编程特点可分为如下几种类 型 型 1 不分组寄存器 不分组寄存器 R0 R7 为所有模式共享为所有模式共享 2 分组寄存器 分组寄存器 R8 R12 R8 fiq R12 fiq FIQ 模式下的寄存器 R8 R12 其它模式共享 3 分组寄存器 分组寄存器 R13 R14 分为 6 组 用户 系统一组 其他每种模 式一组 R13 通常用作堆栈指针 SP R14 通 常用作子程序链接寄存器 当进入子程序时 常用 来保存 PC 的返回值其中 mode 为以下几种模式之 一 usr fiq irq svc abt und 4 程序寄存器 程序寄存器 R15 PC 所有模式共享所有模式共享 6 个状态寄存器 个状态寄存器 一个一个 CPSR 当前程序状态寄存器 保存当前程序当前程序状态寄存器 保存当前程序 状态 状态 五个程序状态备份寄存器五个程序状态备份寄存器 SPSR svc abt und irq frq 只有在异常模式下 才能被 只有在异常模式下 才能被 访问 各异常模式都拥有属于自己的访问 各异常模式都拥有属于自己的 SPSR 当发生异常 当发生异常 时 时 SPSR 用来保存用来保存 CPSR 的值 从异常退出时则可由的值 从异常退出时则可由 SPSR 来恢复来恢复 CPSR 3 试述 ARM 处理器对异常中断的响应过程 答 当一个异常出现以后 答 当一个异常出现以后 ARM 微处理器执行完当前指微处理器执行完当前指 令后 复位异常除外 会执行以下几步操作 令后 复位异常除外 会执行以下几步操作 1 将下一条指令的地址存入相应连接寄存器将下一条指令的地址存入相应连接寄存器 LR R14 XXX 以便程序在处理异常返回时能从正 以便程序在处理异常返回时能从正 确的位置重新开始执行 确的位置重新开始执行 2 将将 CPSR 复制到相应的复制到相应的 SPSR 中 中 3 根据异常类型 强制设置根据异常类型 强制设置 CPSR 的运行模式位 的运行模式位 4 强制强制 PC 从相关的异常向量地址取一条指令执行 从从相关的异常向量地址取一条指令执行 从 而跳转到相应的异常处理程序处 而跳转到相应的异常处理程序处 4 如何从异常中断处理程序中返回 需要注意哪些问题 答 异常处理完毕之后 异常处理完毕之后 ARM 微处理器会执行以下几步微处理器会执行以下几步 操作从异常返回 操作从异常返回 1 将连接寄存器将连接寄存器 LR R14 XXX 的值减去相应的偏移的值减去相应的偏移 量后送到量后送到 PC 中 中 2 将将 SPSR 复制回复制回 CPSR 中 恢复原处理器工作模式 中 恢复原处理器工作模式 3 若在进入异常处理时设置了中断禁止位 要在此清除 若在进入异常处理时设置了中断禁止位 要在此清除 注意问题 异常处理返回时 IRQ 和 FIQ 必须返回前 一条指令 以便执行因进入异常而被 占据 的指令 预取指中止必须返回前一条指令 以便执行在初次请 求访问时造成存储器故障的指令 数据中止必须返回 前面第二条指令 以便重新执行因进入异常而被占据 的指令之前的数据传送指令 5 ARM 处理器版本的变化主要体现在内核的变化和内 核的扩展哪些方面 答 ARM 处理器版本的变化主要体现在内核的扩展和扩 充 ARM 内核的扩展主要是增加 ARM 核外围的组件 以改善 ARM 性能 提供资源管理等功能 主要有 3 种硬 件扩展 1 ARM 内核扩展 cache 和紧耦合存储器 2 扩展存储管理 3 扩展协处理器接口 控制 cache TCM 和存储管 理 ARM 内核扩充主要是增加 ARM 核功能 通常将具 有某些特殊功能的 ARM 内核称为它的某种变种 到目前 为止 ARM 定义了如下变种 1 T 变种 Thumb 指令集 2 M 变种 长乘指令 3 E 变种 增强型 DSP 指令 4 J 变种 java 加速器 Jazelle 6 简述处理器启动时的模式转换过程 处理器启动时的模式转换过程 处理器启动时 首先进入管理员模式处理器启动时 首先进入管理员模式 svc 此后进 此后进 入除用户模式之外的其他模式 主要完成各模式的堆栈设入除用户模式之外的其他模式 主要完成各模式的堆栈设 置 最后进入用户模式 运行用户程序 置 最后进入用户模式 运行用户程序 7 ARM 存储器的存储周期有几种类型 对应于 cache 访问 和存储器访问是何存储周期 ARM 存储器的存储周期有 4 种类型 它们分别是 空闲 周期 顺序周期 协处理器寄存器传送周期和非顺序周期 对应于 cache 访问的存储周期是空闲周期和顺序周期 对应 于存储器访问的存储周期是非顺序周期 8 何谓 cache 简述 cache 的工作原理 Cache 即高速缓冲存储器是位于 CPU 与内存之间的高 速存储器 它的容量比内存小但交换速度快 在 cache 存储系统当中 把主存储器和 cache 都划分成 相同大小的块 主存地址由块号 M 和块内地址 N 两部分组 成 同样 cache 的地址也由块号 m 和块内地址 n 组成 然然 而而 cache 是相连存储器 装入时 通过地址变换部件把主是相连存储器 装入时 通过地址变换部件把主 存地址中的块号存地址中的块号 M 变成变成 cache 的块号的块号 m 块号 块号 M 保存在块保存在块 号为号为 m 的的 cache 块的标记区 数据块装入块的标记区 数据块装入 cache 缓冲区 缓冲区 当当 CPU 要访问要访问 cache 时 时 CPU 送来主存地址 放到主存地送来主存地址 放到主存地 址寄存器中 然后通过地址变换部件把主存地址中的块号址寄存器中 然后通过地址变换部件把主存地址中的块号 M 变成变成 cache 的块号的块号 m 并放到 并放到 cache 地址寄存器当中 地址寄存器当中 同时将主存地址中的块内地址同时将主存地址中的块内地址 N 直接作为直接作为 cache 的块内地的块内地 址址 n 装入到装入到 cache 地址寄存器中 如果地址变换成功 通常地址寄存器中 如果地址变换成功 通常 称为称为 cache 命中 命中 就用得到的 就用得到的 cache 地址去访问地址去访问 cache 从 从 cache 中取出数据送到中取出数据送到 CPU 中 如果地址变换不成功 则中 如果地址变换不成功 则 产生产生 cache 失效信息 并且接着使用主存地址直接去访问主失效信息 并且接着使用主存地址直接去访问主 存储器 存储器 9 简述全相联 cache 直接映象 cache 组相联 cache 其主 存地址至 cache 地址的变换过程和数据检索过程 全相联 cache 地址的变换过程和数据检索过程 把内存地址的块号与把内存地址的块号与 cache 目录区的主存块号比较 若目录区的主存块号比较 若 相同则命中 然后块内地址检索相同则命中 然后块内地址检索 cache 块块 行的某字 否则行的某字 否则 访问内存 访问内存 直接映象 cache 地址的变换过程和数据检索过程 1 根据内存地址的内存地址的块号找到 cache 的对应块 2 把内存地址的区号与把内存地址的区号与 cache 块的的标记比较 若两者 相等且有效位为 1 则为命中 以块内地址访问 Cache 数据 区 若两者不相等或有效位不为 1 则访问内存 组相联 cache 地址的变换过程和数据检索过程 1 首先以内存内存地址的组号 q 找到 cache 中的组 如 物理地址的组号为 1 则对应 cache 第 1 组 2 由于主存与 cache 其组内的块之间采用全相连映射 因此把内存内存地址的区号 组内块号与 cache 目录区所存的区 号 组内块号比较 若有相同者则为命中 3 若命中 以物理地址的块内地址查找某字 否则访否则访 问内存 问内存 10 何谓写通 cache 和写回 cache 两者有何区别 采用写通法进行数据更新的采用写通法进行数据更新的 cache 称为写通称为写通 cache 写通法是指写通法是指 CPU 在执行写操作时 必须把数据同时写入在执行写操作时 必须把数据同时写入 cache 和主存 和主存 采用写回法进行数据更新的 cache 称为写回 cache 写回法是指写回法是指 CPU 在执行写操作时 被写的数据只写入在执行写操作时 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 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 块写回到主存中 写通 cache 和写回 cache 的区别主要体现在执行写操执行写操 作时数据是否同时写入主存 作时数据是否同时写入主存 写通 cache 的欲写数据同数据同 时写入时写入 cache 和主存 和主存 写回 cache 的欲写数据只写入数据只写入 cache 不写入主存 仅当需要替换时 才把已经修改的 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 块写回到主存中 11 说明 ARM 存储器存储访问过程 12 arm 的 MMU 主要主要实现何功能 答 MMU 主要主要实现功能是 1 虚拟存储空间到物理存储空间的映射 在 ARM 中采用了页式虚拟存储管理 通过两级页表实现 虚拟地址到物理地址的映射 2 存储器访问权限的控制 3 设置虚拟存储空间的缓冲的特性 主要包括 Cache write buffer 的配置 13 协处理器 cp15 主要主要实现何功能 答 协处理器 cp15 用于处理 控制 ARM 的特殊性能 包括 1 片上存储器管理单元 MMU 的特性 2 指令 数据缓存的特性 3 写缓冲器的特性 为控制这些特性 CP15 提供了 16 个额外寄存器 14 简述 MMU 使能时存储访问过程 设 chach 为一级 cache 答 使能 MMU 时存储访问过程 通过配置 cp15 寄存器 设置为 MMU 使能 1 若 cache 使能 根据 arm 输出的虚拟地址在 CACHE 中搜索 若 cache 命中 arm 处理器与 cache 交换数据 2 若 cache 禁止或 cache 未命中 首先访问 TLB 根据 arm 输出的虚拟地址在 TLB 中搜索 若 TLB 命中 将 TLB 中的物理页地址与虚拟地址的页内偏移量拼接成 物理地址 访问主存并把该块数据读取到 cache 使能 时 中 3 若 cache 且 TLB 均未命中 访问主存中的页表 15 ARM 支持的物理页有几种类型 其容量为何值 ARM 支持的物理页有四种类型 分别是 1m 的页 64k 的大页 4k 的小页 1k 的微页或极小页 16 简述采用单步页表搜索过程 若一级页表的页表项为 1M 的段 采用单步页表搜索 若为细页表或粗页表的页表项则采用两步搜索 搜索步骤 1 首先由 c2 寄存器的高 18 位和逻辑地址的高 12 位拼 接成段描述符的物理地址 如下图所示 2 根据上述地址检索一级页表找到段描述符 把段描述 符中的高 12 位和虚拟地址的低 20 位拼接成 32 位物理地址 并由此地址访问主存物理页及相应存储单元 17 简述使用粗页表和 4k 页的二级虚实地址转换过程 1 首先把 c2 寄存器中的 18 位页表基址作为粗页表描述 符的地址的高 18 位 虚拟地址的高 12 位作为粗页表描述 符的地址的中间部分 00 作为粗页表描述符的地址的最低 2 位 由此得到粗页表描述符的物理地址 根据粗页表描述 符的物理地址 检索一级页表 找到粗页表描述符 2 把粗页表描述符 22 位二级页表基址与虚拟地址的中 间 8 位和 00 拼接成 4k 页描述符的物理地址 根据 4k 页描 述符的物理地址 检索二级页表 找到 4k 页表描述符 3 将 4k 页表描述符中的高 20 位物理地址与虚拟地址的 低 12 位拼接成主存物理地址 并由此访问某存储单元 18 微处理器及嵌入式系统的总线一般由几部分组成 微处理器及嵌入式系统的总线一般由几部分组成 arm 中实现存储器及外设读 写操作的控制信号是什么 中实现存储器及外设读 写操作的控制信号是什么 微处理器及嵌入式系统的总线一般由微处理器及嵌入式系统的总线一般由 3 部分组成 其分别部分组成 其分别 是 是 1 数据总线 传送数据信息的信号线 通常为双向 三态 数据总线 传送数据信息的信号线 通常为双向 三态 总线 总线 2 地址总线 用来传送地址信息的信号线 通常为单向 地址总线 用来传送地址信息的信号线 通常为单向 三态总线三态总线 3 控制总线 传送控制信息的信号线 控制总线 传送控制信息的信号线 arm 中实现存储器及外设读 写操作的控制信号分别中实现存储器及外设读 写操作的控制信号分别 是是 19 何谓总线主控设备 总线从设备 并举例说明之 何谓总线主控设备 总线从设备 并举例说明之 何谓主控设备是指能控制总线并启动数据传送的任何何谓主控设备是指能控制总线并启动数据传送的任何 设备称做主控器或主设备 如设备称做主控器或主设备 如 CPU 和和 DMA 控制器控制器 总线 总线 从设备则是指能够响应总线主设备发出的总线命令的任何从设备则是指能够响应总线主设备发出的总线命令的任何 设备 如存储器 设备 如存储器 20 什么是系统总线 微机和 什么是系统总线 微机和 arm 使用何系统总线 使用何系统总线 系统总线是指把微机系统内各部件的相互连接的总线 例 系统总线是指把微机系统内各部件的相互连接的总线 例 微机的微机的 ISA EISA VESA PCI 等微机标准总线 等微机标准总线 arm 的片上总线 的片上总线 21 简述总线周期的四个阶段 简述总线周期的四个阶段 一个总线周期的四个阶段 一个总线周期的四个阶段 1 总线请求和仲裁阶段总线请求和仲裁阶段 由需要使用总线的主控设备向总线由需要使用总线的主控设备向总线 仲裁机构提出使用总线的请求 经总线仲裁机构仲裁确定 仲裁机构提出使用总线的请求 经总线仲裁机构仲裁确定 把下一个传送周期的总线使用权分配给哪一个请求源 把下一个传送周期的总线使用权分配给哪一个请求源 2 寻址阶段 寻址阶段 取得总线使用权的主控设备 通过地址总取得总线使用权的主控设备 通过地址总 线发出本次要访问的从属设备的存储器地址 或线发出本次要访问的从属设备的存储器地址 或 I O 端口地端口地 址及有关命令 通过译码使参与本次传送操作的从属设备址及有关命令 通过译码使参与本次传送操作的从属设备 被选中 并开始启动 被选中 并开始启动 3 数据传送阶段 数据传送阶段 主控设备和从属设备进行数据交换 主控设备和从属设备进行数据交换 4 结束阶段 结束阶段 主控设备 从属设备的有关信息均从系统主控设备 从属设备的有关信息均从系统 总线上撤除 让出总线 以便其他模块能继续使用 总线上撤除 让出总线 以便其他模块能继续使用 22 简述主设备和从设备之间的三种数据传输方式 简述主设备和从设备之间的三种数据传输方式 主设备和从设备之间的数据传输方式 主设备和从设备之间的数据传输方式 一 同步式传输一 同步式传输 使用一个同步时钟作为控制数据的传输 主设备使用一个同步时钟作为控制数据的传输 主设备 与从设备进行一次传输所需的时间是固定的 其中每一步与从设备进行一次传输所需的时间是固定的 其中每一步 骤的起止时刻 也都有严格的规定 都以系统时钟来统一 骤的起止时刻 也都有严格的规定 都以系统时钟来统一 二 异步式传输二 异步式传输 异步传输是采取应答式传输技术来实现的 用请求异步传输是采取应答式传输技术来实现的 用请求 REQ 和应答和应答 ACK 两种信号来协调传输过程 两种信号来协调传输过程 三 半同步传输三 半同步