本文羅列了關(guān)于ARM的22個常用概念。包括一些使用注意事項、ARM啟動代碼設(shè)計、ARM處理器運行模式、ARM體系結(jié)構(gòu)所支持的異常類型和一些基本操作方法等等。
ARM架構(gòu)是一種精簡指令集計算機(RISC)架構(gòu)，自其誕生以來，以低功耗、高性能和易于集成的特性，在計算機體系結(jié)構(gòu)中占據(jù)了重要地位。ARM架構(gòu)的發(fā)展歷程從最初的ARMv1逐步演進至如今的ARMv9，每一代版本的更新都標志著技術(shù)的進步和性能的提升，體現(xiàn)了其對市場需求的快速響應(yīng)。
01ARM中一些常見英文縮寫解釋
MSB：最高有效位
LSB：最低有效位
AHB：先進的高性能總線
VPB：連接片內(nèi)外設(shè)功能的VLSI外設(shè)總線
EMC：外部存儲器控制器
MAM：存儲器加速模塊
VIC：向量中斷控制器
SPI：全雙工串行接口
CAN：控制器局域網(wǎng)，一種串行通訊協(xié)議
PWM：脈寬調(diào)制器
ETM：嵌入式跟蹤宏
CPSR：當前程序狀態(tài)寄存器
SPSR：程序保護狀態(tài)寄存器
02MAM使用注意事項
當改變MAM定時值時，必須先通過向MAMCR寫入0來關(guān)閉MAM，然后將新值寫入MAMTIM。最后，將需要的操作模式的對應(yīng)值寫入MAMCR，再次打開MAM。
對于低于20MHz的系統(tǒng)時鐘，MAMTIM設(shè)定為001。對于20MHz到40MHz之間的系統(tǒng)時鐘，建議將Flash訪問時間設(shè)定為2cclk，而在高于40MHz的系統(tǒng)時鐘下，建議使用3cclk。
03VIC使用注意事項
如果在片內(nèi)RAM當中運行代碼并且應(yīng)用程序需要調(diào)用中斷，那么必須將中斷向量重新映射到Flash地址0x0。
這樣做是因為所有的異常向量都位于地址0x0及以上。通過將寄存器MEMMAP(位于系統(tǒng)控制模塊當中)配置為用戶RAM模式來實現(xiàn)這一點。用戶代碼被連接以便使中斷向量表裝載到0x4000 0000。
04ARM啟動代碼設(shè)計
ARM啟動代碼直接面對處理器內(nèi)核和硬件控制器進行編程，一般使用匯編語言。啟動代碼一般包括：
中斷向量表
初始化存儲器系統(tǒng)
初始化堆棧初始化有特殊要求的端口、設(shè)備
初始化用戶程序執(zhí)行環(huán)境
改變處理器模式
呼叫主應(yīng)用程序
05IRQ和FIQ之間的區(qū)別
IRQ和FIQ是ARM處理器的兩種編程模式。IRQ是指中斷模式，F(xiàn)IR是指快速中斷模式。對于FIQ你必須盡快處理你的事情并離開這個模式。IRQ可以被FIQ所中斷，但IRQ不能中斷FIQ。
為了使FIQ更快，所以這種模式有更多的影子寄存器。FIQ不能調(diào)用SWI(軟件中斷)。FIQ還必須禁用中斷。如果一個FIQ例程必須重新啟用中斷，則它太慢了，并應(yīng)該是IRQ而不是FIQ。
06ARM對異常中斷的響應(yīng)過程
ARM處理器對異常中斷的響應(yīng)過程如下所述：
保存處理器當前狀態(tài)、中斷屏蔽位以及各條件標志位
設(shè)置當前程序狀態(tài)寄存器CPSR中的相應(yīng)位
將寄存器lr_mode設(shè)置成返回地址
將程序計數(shù)器值PC，設(shè)置成該異常中斷的中斷向量地址，跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)異常中斷處執(zhí)行
07ARM與Thumb指令的區(qū)別
在ARM體系結(jié)構(gòu)中，ARM指令集中的指令是32位的指令，其執(zhí)行效率很高。對于存儲系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線為16位的應(yīng)用系統(tǒng)，ARM體系提供了Thumb指令集。Thumb指令集是對ARM指令集的一個子集重新編碼得到的，指令長度為16位。
通常在處理器執(zhí)行ARM程序時，稱處理器處于ARM狀態(tài);當處理器執(zhí)行Thumb程序時，稱處理器處于Thumb 狀態(tài)。Thumb指令集并沒有改變ARM體系底層的程序設(shè)計模型，只是在該模型上加上了一些限制條件。Thumb指令集中的數(shù)據(jù)處理指令的操作數(shù)仍然為32位，指令尋址地址也是32位的。
08什么是ATPCS
為了使單獨編譯的C語言程序和匯編程序之間能夠相互調(diào)用，必須為子程序之間的調(diào)用規(guī)定一定的規(guī)則。ATPCS就是ARM程序和Thumb程序中子程序調(diào)用的基本規(guī)則。這些規(guī)則包括寄存器使用規(guī)則，數(shù)據(jù)棧的使用規(guī)則，參數(shù)的傳遞規(guī)則等。
09ARM和Thumb混合使用的場合
通常，Thumb程序比ARM程序更加緊湊，而且對于內(nèi)存為8位或16位的系統(tǒng)，使用Thumb程序效率更高。但是，在下面一些場合下，程序必須運行在ARM狀態(tài)，這時就需要混合使用ARM和Thumb程序。
強調(diào)速度的場合，應(yīng)該使用ARM程序;有些功能只能由ARM程序完成。如：使用或者禁止異常中斷;當處理器進入異常中斷處理程序時，程序狀態(tài)切換到ARM狀態(tài)，即在異常中斷處理程序入口的一些指令是ARM指令，然后根據(jù)需要程序可以切換到Thumb狀態(tài)，在異常中斷程序返回前，程序再切換到ARM狀態(tài)。
ARM處理器總是從ARM狀態(tài)開始執(zhí)行。因而，如果要在調(diào)試器中運行Thumb程序，必須為該Thumb程序添加一個ARM程序頭，然后再切換到Thumb狀態(tài)，執(zhí)行Thumb程序。
10ARM處理器運行模式
ARM微處理器支持7種運行模式，分別為：
用戶模式(usr)：arm處理器正常的程序執(zhí)行狀態(tài)
快速中斷模式(fiq)：用于高速數(shù)據(jù)傳輸或通道管理
外部中斷模式(irq)：用于通用的中斷處理
管理模式(svc)：操作系統(tǒng)使用的保護模式
數(shù)據(jù)訪問終止模式(abt)：當數(shù)據(jù)或指令預(yù)取終止時進入該模式，用于虛擬存儲及存儲保護
系統(tǒng)模式(sys)：運行具有特權(quán)的操作系統(tǒng)任務(wù)
未定義指令中止模式(und)：當未定義指令執(zhí)行時進入該模式，可用于支持硬件協(xié)處理器的軟件仿真
11ARM體系結(jié)構(gòu)所支持的異常類型
ARM體系結(jié)構(gòu)所支持的異常和具體含義如下(圈里面的數(shù)字表示優(yōu)先級)：
復(fù)位①：當處理器的復(fù)位電平有效時，產(chǎn)生復(fù)位異常，程序跳轉(zhuǎn)到復(fù)位異常處執(zhí)行(異常向量：0x0000，0000)
數(shù)據(jù)中止②：若處理器數(shù)據(jù)訪問的指令的地址不存在，或該地址不允許當前指令訪問，產(chǎn)生數(shù)據(jù)中止異常(異常向量：0x0000，0010)
FIQ③(快速中斷請求)：當處理器的快速中斷請求引腳有效，且CPSR中的F位為0時，產(chǎn)生FIQ異常(異常向量：0x0000，001C)。
IRQ④(外部中斷請求)：當處理器的外部中斷請求引腳有效，且CPSR中的I位為0時，產(chǎn)生IRQ異常。系統(tǒng)的外設(shè)可以該異常請求中斷服務(wù)(異常向量：0x0000，0018)
指令預(yù)取中止⑤：若處理器的預(yù)取指令的地址不存在，或該地址不允許當前指令訪問，存儲器會向處理器發(fā)出中止信號，當預(yù)取指令被執(zhí)行時，才會產(chǎn)生指令預(yù)取中止異常(異常向量：0x0000，000C)
未定義指令⑥：當ARM處理器或協(xié)處理器遇到不能處理的指令時，產(chǎn)生為定義異常?？墒褂迷摦惓C制進行軟件仿真(異常向量：0x0000，0004)
軟件中斷⑥：有執(zhí)行SWI指令產(chǎn)生，可用于用戶模式下程序調(diào)用特權(quán)操作指令。可使用該異常機制實現(xiàn)系統(tǒng)功能調(diào)用(異常向量：0x0000，0008)
說明：其中異常向量0x0000，0014為保留的異常向量。
12ARM體系結(jié)構(gòu)的存儲器格式
ARM體系結(jié)構(gòu)的存儲器格式有如下兩種：
大端格式：字數(shù)據(jù)的高字節(jié)存儲在低地址中，字數(shù)據(jù)的低字節(jié)存放在高地址中
小端格式：與大端存儲格式相反，高地址存放數(shù)據(jù)的高字節(jié)，低地址存放數(shù)據(jù)的低字節(jié)。
13ARM寄存器總結(jié)
ARM有16個32位的寄存器(r0到r15)，r15充當程序寄存器PC，r14(link register)存儲子程序的返回地址，r13存儲的是堆棧地址。ARM有一個當前程序狀態(tài)寄存器：CPSR。
一些寄存器(r13，r14)在異常發(fā)生時會產(chǎn)生新的instances，比如IRQ處理器模式，這時處理器使用r13_irq和r14_irq。ARM的子程序調(diào)用是很快的，因為子程序的返回地址不需要存放在堆棧中。
14存儲器重新映射(Remap)的原因
使Flash存儲器中的FIQ處理程序不必考慮因為重新映射所導(dǎo)致的存儲器邊界問題;用來處理代碼空間中段邊界仲裁的SRAM和Boot Block向量的使用大大減少;為超過單字轉(zhuǎn)移指令范圍的跳轉(zhuǎn)提供空間來保存常量。
ARM中的重映射是指在程序執(zhí)行過程中通過寫某個功能寄存器位操作達到重新分配其存儲器地址空間的映射。
一個典型的應(yīng)用就是應(yīng)用程序存儲在Flash/ROM中，初始這些存儲器地址是從0開始的，但這些存儲器的讀時間比SRAM/DRAM長，造成其內(nèi)部執(zhí)行頻率不高，故一般在前面一段程序?qū)⒋a搬移到SRAM /DRAM中去，然后重新映射存儲器空間，將相應(yīng)SRAM/DRAM映射到地址0，重新執(zhí)行程序可達到高速運行的目的。
15存儲異常向量表中跳轉(zhuǎn)使用LDR
LDR指令可以全地址范圍跳轉(zhuǎn)，而B指令只能在前后32MB范圍內(nèi)跳轉(zhuǎn);芯片具有Remap功能。當向量表位于內(nèi)部RAM或外部存儲器中，用B指令不能跳轉(zhuǎn)到正確的位置。
16鎖相環(huán)(PLL)注意要點
PLL在芯片復(fù)位或進入掉電模式時被關(guān)閉并旁路，在掉電喚醒后不會自動恢復(fù)PLL的設(shè)定
PLL只能通過軟件使能
PLL在激活后必須等待其鎖定，然后才能連接
PLL如果設(shè)置不當將會導(dǎo)致芯片的錯誤操作
17ARM7與ARM9的區(qū)別
ARM7內(nèi)核是0.9MIPS/MHz的三級流水線和馮S226，諾伊曼結(jié)構(gòu);ARM9內(nèi)核是五級流水線，提供1.1MIPS/MHz的哈佛結(jié)構(gòu)。ARM7沒有MMU，ARM720T是MMU的;ARM9是有MMU的，ARM940T只有Memory protection unit，不是一個完整的MMU。
ARM7TDMI提供了非常好的性能——功耗比。它包含了Thumb指令集快速乘法指令和ICE調(diào)試技術(shù)的內(nèi)核。ARM9的時鐘頻率比ARM7更高，采用哈佛結(jié)構(gòu)區(qū)分了數(shù)據(jù)總線和指令總線。
18VIC的基本操作如下
設(shè)置IRQ/FIQ中斷，若是IRQ中斷則可以設(shè)置為向量中斷并分配中斷優(yōu)先級，否則為非向量IRQ，然后可以設(shè)置中斷允許，以及向量中斷對應(yīng)地址或非向量中斷默認地址。
當有中斷后，若是IRQ中斷，則可以讀取向量地址寄存器，然后跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的代碼。當要退出中斷時，對向量地址寄存器寫0，通知VIC中斷結(jié)束。當發(fā)生中斷時，處理器將會切換處理器模式，同時相關(guān)的寄存器也將會映射。
19使用外部中斷注意
把某個引腳設(shè)置為外部中斷功能后，該引腳為輸入模式，由于沒有內(nèi)部上拉電阻，所以必須外接一個上拉電阻，確保引腳不被懸空
除了引腳連接模塊的設(shè)置，還需要設(shè)置VIC模塊，才能產(chǎn)生外部中斷，否則外部中斷只能反映在EXTINT寄存器中
要使器件進入掉電模式并通過外部中斷喚醒，軟件應(yīng)該正確設(shè)置引腳的外部中斷功能，再進入掉電模式
20UART0的基本操作方法
設(shè)置I/O連接到UART0
設(shè)置串口波特率(U0DLM、U0DLL)
設(shè)置串口工作模式(U0LCR、U0FCR)
發(fā)送或接收數(shù)據(jù)(U0THR、U0RBR)
檢查串口狀態(tài)字或等待串口中斷(U0LSR)
21I2C的基本操作方法
設(shè)置I2C管腳連接
設(shè)置I2C時鐘速率(I2SCLH、I2SCLL)
設(shè)置為主機，并發(fā)送起始信號(I2CONSET的I2EN、STA位為1、AA位為0)
發(fā)送從機地址(I2DAT)，控制I2CONSET發(fā)送
判斷總線狀態(tài)(I2STAT)，進行數(shù)據(jù)傳輸控制
發(fā)送結(jié)束信號(I2CONSET)
22PWM基本操作方法
連接PWM功能管腳輸出，即設(shè)置PINSEL0、PINSEL1
設(shè)置PWM定時器的時鐘分頻值(PWMPR)，得到所要的定時器時鐘
設(shè)置比較匹配控制(PWMMCR)，并設(shè)置相應(yīng)比較值(PWMMRx)
設(shè)置PWM輸出方式并允許PWM輸出(PWMPCR)及鎖存使能控制(PWMLER)
設(shè)置PWMTCR，啟動定時器，使能PWM
運行過程中要更改比較值時，更改之后要設(shè)置鎖存使能。使用雙邊沿PWM輸出時，建議使用PWM2、PWM4、PWM6;使用單邊PWM輸出時，在PWM周期開始時為高電平，匹配后為低電平，使用PWMMR0作為PWM周期控制，PWMMRx作為占空比控制。
下載文檔
