ARM基础 -- 2

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一、可编程器件的编程原理

1.1 电子器件的发展方向

模拟器件 --> 数字器件
ASIC（Application Specific Integrated Circuit 专用集成电路）：这个是不可以编程的 --> 可编程器件

1.2 可编程器件的特点

1. CPU在固定频率的时钟控制下, 节奏运行。
2. CPU可以通过总线读取外部存储设备中的二进制指令集，然后解码执行。
3. 这些可以被CPU解码执行的二进制指令集是CPU设计的时候确定的，是CPU的设计者（本文中提及的是ARM公司）定义的，本质上是一串串1和0组成的数字。这就是CPU的汇编指令集。

1.3 整个编程及运行过程

从源代码到CPU执行过程：
.c等高级语言源代码 ----（编译器）----- .S汇编源代码 ----（汇编器）----- Elf格式二进制可执行程序 ----（Objcopy工具）-----Bin格式烧录文件 ----（总线）----- CPU读入后先解码 ----（CPU内部指令流水线）----- CPU执行指令。

注： 对预编译，编译，汇编，链接过程不清楚的，可以看看这位小伙伴的博文。

二、指令集对CPU的意义

2.1 汇编语言与C等高级语言的差异

1. 汇编难写，C好写。
2. 汇编无可移植性，C语言有一定的可移植性，Java等更高级的语言移植性更高。
3. 汇编语言效率最高，C语言次之，Java等更高级语言效率更低。
4. 汇编不适合完成大型复杂的项目，更高级语言更适合完成更大，更复杂的项目。

2.2 汇编语言的本质

1. 汇编的实质是机器指令（机器码）的助记符，是一种低级符号语言。
2. 机器指令集是一款CPU的编程特性，是这款CPU的设计者制定的。CPU的内部电路设计就是为了实现这些指令集的功能，机器指令集就好像CPU的API接口一样。

2.2.1 编程语言的发展过程

• 纯机器码编程
• 汇编语言编程
• C语言编程
• C++语言编程
• Java C#等语言编程
• 脚本语言

2.2.2 汇编语言的特点和用途

• 汇编语言就是CPU的机器指令集的助记符，是一款CPU的本质特性。
• 不同CPU的机器指令集设计不同，因此汇编程序不能在不同的CPU间互相移植。
• 使用汇编编程可以充分发挥CPU的设计特点，所以汇编编程效率最高，因此在操作系统内核中效率极其重要处都需要汇编处理。

三、RISC和CISC的区别

3.1 复杂指令集CPU — CISC

• Complex Instruction-set computer 复杂指令集CPU
• CISC体系的设计理念是用最少的指令（注意说的是指令而不是指令集）来完成任务（譬如计算乘法只需要一条MUL指令即可），因此CISC的CPU本身设计复杂、工艺复杂，但好处是编程器好设计。CISC出现较早，至今Intel还一直采用CISC设计。

3.2 精简指令集CPU — RISC

• Reduced Instruction-set Computer 精简指令集CPU
• RISC的设计理念是让软件来完成具体的任务，CPU本身只提供基本功能指令集。因为RISC CPU 的指令集只有很少的指令，这种设计相对于CISC，CPU的设计和工艺简单了，但是编译器的设计变难了。

3.3 CPU的设计方式发展

• 早期简单CPU，指令和功能都很有限。
• CISC年代-------CPU功能拓展依赖于指令集的拓展，实质是CPU内部组合逻辑电路的拓展。
• RISC年代-------CPU仅仅提供基础功能指令（譬如内存与寄存器通信指令，基本运算与判断指令符等），功能拓展由使用CPU的人利用基础架构来灵活实现。

3.4 RISC与CISC指令集对比

• 一般典型的CISC CPU指令在300左右。
• ARM CPU常用指令在30条左右。
  注：ARM为什么功耗低？ （乱序执行能力不如X86）

3.5 发展趋势

• 没有纯粹的RISC或CISC，发展方向是RISC与CISC结合，形成一种介于两者之间的CPU类型。

四、统一编址&独立编址

4.1 什么是IO？什么是内存？

• 内存是程序的运行场所，内存和CPU之间通过总线连接，CPU通过一定的地址来访问具体的内存单元。
• IO（input and output）是输入输出接口，是CPU和其它外部设备（如串口、LCD、触摸屏、LED等）之间通信的道路，一般的，IO就是指CPU的各种内部和外部的外设。

4.2 内存访问方式

• 内存通过CPU的数据总线来寻址定位，然后通过CPU的数据总线来读写。
• CPU的地址总线的位数是CPU设计时确定的，因此一款CPU所能寻址的范围是确定的，而内存是需要占用CPU的寻址空间的。
• 内存和CPU的这种总线连接方式属于直接连接，优点是效率高，访问快，缺点是资源有限，拓展性差。

4.3 IO访问方式

1. IO是指CPU连接的各种外设。
2. CPU访问各种外设有两种方式,具体如下：
     (1) 类似于访问内存的形式，即把外设的寄存器当做一个内存地址来读写，从而以访问内存相同的方式来访问各种外设，叫 IO与内存统一编址方式。
     (2) 使用专用的CPU指令来访问某种特定外设，叫 IO与内存独立编址。

对比

• 由于内存访问频率高，因此采用总线式连接，直接地址访问，效率最高。
• IO与内存统一编址方式，优势是IO当作内存来访问，编程简单；缺点是IO也需占用一定的CPU地址空间，而CPU的地址空间是有限资源。
• IO与内存独立编址方式，优势是不占用CPU地址空间，缺点是CPU设计变复杂了。

五、程序与数据

• 程序运行时两大核心元素：程序+数据
• 程序是我们写好的源代码经过编译，汇编之后得到的机器码，这些机器码可以拿给CPU去解码执行，CPU不会也不应该去修改程序，所以程序是只读的。
• 数据是程序运行过程中定义和产生的变量的值，是可以读写的，程序运行实际就是改变数据的值。

六、冯诺依曼结构和哈佛结构

• 程序和数据都放在内存中，且彼此不被分离的结构称为冯诺依曼结构。譬如Intel的CPU均采用冯诺依曼结构。
• 程序和数据分开独立放在不同的内存块中，彼此完全分离的结构称为哈佛结构。譬如大部分的单片机（MCS51、ARM9等）均采用哈佛结构。

6.1 优劣对比

• 冯诺依曼结构中程序和数据放在一起，因此安全和稳定性是个问题，好处是处理起来简单。
• 哈佛结构中程序（一般放在ROM、FLASH中）和数据（一般放在RAM中）独立分开存放。因此好处是安全和稳定性高，缺点是软件处理复杂一些（需要统一规划链接地址等）。

注：FLASH=ROM=硬盘（只读属性） DDR=内存=RAM

七、软件编程控制硬件的关键 — 寄存器

7.1 寄存器的定义

• 寄存器属于CPU外设的硬件组成部分。
• CPU可以像访问内存一样访问寄存器。
• 寄存器是CPU的硬件设计者制定的，目的是留作外设被编程控制的“活动开关”。
• 正如汇编指令集是CPU的编程接口API一样，寄存器是外设硬件的软件编程接口API。使用软件编程控制某一硬件，其实就是编程读写硬件的寄存器。

7.2 关于寄存器

• 编程操作寄存器类似于访问内存。
• 寄存器中每个bit位都有特定的含义，因此编程操作时需要位操作。
• 单个寄存器的位宽一般和CPU的位宽（int/char）一样，以实现最佳访问效率。

注：CPU的位宽指的是数据总线的条数

7.3 两类寄存器

Soc中有两类寄存器：通用寄存器和SFR。

• 通用寄存器（ARM中有37个）是CPU的组成部分，CPU的很多活动都需要CPU的支持和参与。
• SFR（Special Function Register，特殊功能寄存器）不在CPU中，而存在CPU的外设中，我们通过访问外设的SFR来编程操控这个外设，这就是硬件编程控制的方法。
  注： SFR：硬件外设某个寄存器的地址，对应的数据位都是设计时定义的。

八、ARM 体系结构要点总结

8.1 ARM 是RISC架构

• 常用ARM汇编指令只有二三十条
• ARM是低功耗CPU
• ARM 的架构非常适合单片机、嵌入式、尤其是物联网领域，而服务器等高性能领域, 目前主导还是IntelARM是统一编址的,
• 大部分ARM （m3 m4 m7 m0 ARM9 ARM11 A8 A9等）都是32位架构
• 32位ARM CPU 支持的内存少于4G，通过CPU 地址总线来访问
• SOC的各种内部外设通过各自的SFR 编程访问，这些SFR的访问方式类似于访问普通内存，这叫IO与内存统一编址

8.2 ARM 是哈佛结构的

• 常见ARM （除ARM7外）都是哈佛结构的
• 哈佛结构也决定了 ARM逻辑程序（使用实地址即 物理地址）的链接比较麻烦，必须使用复杂的链接脚本告知连接器如何组织程序，对于OS之上的应用（工作在虚拟地址之中）则不需要考虑这么多