詳解ARM Cortex-A32處理器 打造超高能效嵌入式環(huán)境

操作模式

如2圖所示，ARMv7-M僅定義兩種操作模式，線程模式與處理器模式。處理器模式可以設(shè)置為普通模式，也就是說，在不需要時(shí)，軟件可以不啟用該特性。處理器模式主要被用于處理異常情況，線性模式則用于用戶進(jìn)程。模式間的轉(zhuǎn)化基本上是自動(dòng)的，發(fā)生條件如圖所示。如異常情況發(fā)生，處理器模式自動(dòng)啟用，異常處理完成后，處理器模式自動(dòng)退出。SVCall指令是軟件進(jìn)入處理器模式的主要方法(將啟動(dòng)的IRQ設(shè)定為未決，可令處理器執(zhí)行異常操作)。

圖2： ARMv7-M操作模式

對(duì)比圖3，圖2顯示的是AArch32執(zhí)行態(tài)下支持的操作模式。基本的操作模式有七種，其中五種用于處理特定異常。如發(fā)生快速中斷(Fast Interrupt，F(xiàn)IQ)異常，則會(huì)進(jìn)入FIQ模式;如出現(xiàn)未定義指令，則進(jìn)入U(xiǎn)ndef模式，諸如此類。

圖3： AArch32操作模式

模式間的轉(zhuǎn)換通常自動(dòng)執(zhí)行，但是如果在現(xiàn)程序狀態(tài)寄存器(Current Program Status Register，CPSR)中寫入模式字段，則可完全由軟件控制進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換，具體細(xì)節(jié)稍后再做說明。與SVCall指令類似，SVC指令可以支持軟件處理SVC異常，并進(jìn)入SVC模式。

AArch32還支持其他兩種模式，但未在圖中顯示(僅為節(jié)省版面空間)。它們分別是Hyp模式(用于管理程序)和監(jiān)控模式(用于TrustZone)。

寄存器組

圖4及圖5分別介紹了ARMv7-M 和 AArch32寄存器組。從圖中可以看出，兩種寄存器有許多相似之處，這是因?yàn)閮烧呓猿幸u了ARMv6及早期架構(gòu)的共同特性。

多數(shù)指令可以訪問13個(gè)通用寄存器(r0至r12)。兩種架構(gòu)下，r13預(yù)設(shè)為棧指針(SP)，r14預(yù)設(shè)為連接寄存器(LR)，r15預(yù)設(shè)為程序計(jì)數(shù)器(PC)。ARMv7-M架構(gòu)下，訪問專用寄存器受到嚴(yán)格限制;AArch32下，可以用與其他通用寄存器相同的方式訪問這些寄存器;不過無需多言，擅自修改PC值可能會(huì)產(chǎn)生不良后果!

圖4：ARMv7-M寄存器組 圖5- AArch32寄存器組

ARMv7-M是一小組其他專用寄存器，包括PRIMASK、FAULTMASK、xPSR、CONTROL及BASEPRI，用于控制、配置處理器及處理異常情況。

指令集

如圖5所示，AArch32還有一些與特定操作模式相關(guān)的寄存器。如進(jìn)入對(duì)應(yīng)的模式下，這些寄存器會(huì)與相應(yīng)的用戶模式切換。只有極少數(shù)特殊指令能夠訪問，并且還無法直接訪問。這些數(shù)值隨著模式變化被保存，以輔助異常處理。特別值得指出的是，每種異常模式都對(duì)應(yīng)獨(dú)立的棧指針，從而能夠在單獨(dú)堆棧上解決每個(gè)異常狀況。這就讓異常處理程序更可靠、防御性更強(qiáng)。異常出現(xiàn)后，相關(guān)模式的連接寄存器會(huì)被設(shè)定為異常返回地址。

每種異常模式都對(duì)應(yīng)一個(gè)附加寄存器，即程序保護(hù)狀態(tài)寄存器(SPSR)。程序保護(hù)狀態(tài)寄存器用于出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)記錄當(dāng)前的程序狀態(tài)寄存器數(shù)值以及LR，從而自動(dòng)保存相關(guān)數(shù)據(jù)。另外，AArch32的圖示中未顯示Mon與Hyp模式。與其他模式一樣，它們分別支持R13與R14分組寄存器。

Cortex-A架構(gòu)下，有一個(gè)與ARM NEON SIMD指令集相關(guān)的獨(dú)立寄存器組，包含32個(gè)128位寬寄存器。每個(gè)寄存器都可作為單字、雙字或四倍字尋址，NEON指令集也支持依據(jù)字節(jié)或四倍字進(jìn)行向量運(yùn)算。

異常模型

上述兩個(gè)架構(gòu)的異常模型具有顯著差異，但兩者都支持因系統(tǒng)事件或外圍中斷引起的內(nèi)部及外部異常。

ARMv7-M支持與傳統(tǒng)微控制器上發(fā)現(xiàn)的異常更相近的模型，所有外部中斷都通過含有處理器地址的向量表單獨(dú)進(jìn)行向量處理。

AArch32與早期ARM架構(gòu)中的異常模型更相近，早期的ARM架構(gòu)中僅有8種異常類型，向量也各不相同。向量表由可執(zhí)行指令組成，通常是特定異常處理器的分支指令。僅支持兩種外部中斷源，即FIQ和IRQ。通常，一個(gè)高優(yōu)先級(jí)中斷會(huì)連接FIQ，其他則連接IRQ。這意味著系統(tǒng)要么裝有軟件調(diào)度程序，要么就要和現(xiàn)代系統(tǒng)一樣裝有中斷向量控制器(Vectored Interrupt Controller，VIC)，可以利用單一向量地址進(jìn)行編程。

多數(shù)Cortex-A系統(tǒng)裝有基于ARM的通用中斷控制器(Generic Interrupt Controller，GIC)。GIC是許多物理中斷和ARM核心中斷輸入(FIQ和IRQ)的接口，處理優(yōu)先次序、遮蔽、單一中斷啟用或禁止，及優(yōu)先權(quán)。欲了解更多信息，請(qǐng)參考《GIC架構(gòu)參考手冊(cè)》。

虛擬內(nèi)存支持

支持完全虛擬內(nèi)存環(huán)境是ARMv8-A的一個(gè)主要特性，使設(shè)備可以支持Linux和Android等平臺(tái)操作系統(tǒng)。同樣，虛擬內(nèi)存能力通常也是客戶選擇核心的重要依據(jù)。

虛擬內(nèi)存環(huán)境使操作系統(tǒng)能夠以更加靈活的方式管理內(nèi)存，例如，允許單獨(dú)處理動(dòng)態(tài)擴(kuò)展棧區(qū)域，按照需求將單個(gè)代碼和數(shù)據(jù)區(qū)域調(diào)入和調(diào)出外部存儲(chǔ)頁面，并使每個(gè)用戶處理系統(tǒng)內(nèi)存映射的相同視圖。

圖6：虛擬內(nèi)存

為此，如圖6所示，虛擬內(nèi)存在處理器提供的每個(gè)地址上進(jìn)行“轉(zhuǎn)換”。軟件在“虛擬地址空間”和稱為內(nèi)存管理單元(Memory Management Unit，MMU)的模塊中運(yùn)行，并將其轉(zhuǎn)換為“物理地址空間”，為系統(tǒng)中的每個(gè)用戶任務(wù)以及操作系統(tǒng)本身創(chuàng)建新的虛擬內(nèi)存映射，還使操作系統(tǒng)完全控制訪問權(quán)限等。每項(xiàng)任務(wù)都可以在自身的虛擬內(nèi)存空間中執(zhí)行，就像是系統(tǒng)中的唯一任務(wù)。只有操作系統(tǒng)知道外部物理內(nèi)存中該任務(wù)的代碼和數(shù)據(jù)區(qū)域的真實(shí)物理位置。