ARM內(nèi)核
ARM內(nèi)核：包括了寄存器組、指令集、總線、存儲器映射規(guī)則、中斷邏輯和調(diào)試組件等。內(nèi)核是由ARM公司設(shè)計并以銷售方式授權(quán)給個芯片廠商使用的(ARM公司本身不做芯片)。比如為高速度設(shè)計的Cortex A8、A9都是ARMv7a 架構(gòu);Cortex M3、M4是ARMv7m架構(gòu);前者是處理器(就是內(nèi)核)，后者是指令集的架構(gòu)(也簡稱架構(gòu))。
外設(shè)部分包括計時器、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲器、i2c、UART、SPI、ROM...等等，則完全由各芯片廠商自己設(shè)計并與ARM內(nèi)核銜接配套。不同的芯片廠商就有不同的外設(shè)，因此構(gòu)成了數(shù)量和規(guī)格龐大的ARM芯片產(chǎn)業(yè)。
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。
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(jìn)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(dāng)前程序狀態(tài)寄存器
SPSR：程序保護(hù)狀態(tài)寄存器
02MAM使用注意事項
當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(jìn)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I(xiàn)RQ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(dāng)前狀態(tài)、中斷屏蔽位以及各條件標(biāo)志位
設(shè)置當(dāng)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(dāng)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(qiáng)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(dāng)處理器進(jìn)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(hù)模式
數(shù)據(jù)訪問終止模式(abt)：當(dāng)數(shù)據(jù)或指令預(yù)取終止時進(jìn)入該模式，用于虛擬存儲及存儲保護(hù)
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(dāng)未定義指令執(zhí)行時進(jìn)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)前指令訪問，存儲器會向處理器發(fā)出中止信號，當(dāng)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(dāng)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。可使用該異常機(jī)制進(jìn)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?？墒褂迷摦惓C(jī)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?jǐn)?shù)據(jù)的高字節(jié)存儲在低地址中，字?jǐn)?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(dāng)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(dāng)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(dá)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(dá)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(dāng)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(jìn)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(dāng)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(rèn)地址。
當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(jìn)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(jìn)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(jī)，并發(fā)送起始信號(I2CONSET的I2EN、STA位為1、AA位為0)
發(fā)送從機(jī)地址(I2DAT)，控制I2CONSET發(fā)送
判斷總線狀態(tài)(I2STAT)，進(jìn)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。
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