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(xiàn)程模式與處理器模式。處理器模式可以設置為普通模式，也就是說(shuō)，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(xiàn)性模式則用于用戶(hù)進(jìn)程。模式間的轉化基本上是自動(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設定為未決，可令處理器執行異常操作)。

圖2： ARMv7-M操作模式

對比圖3，圖2顯示的是AArch32執行態(tài)下支持的操作模式?；镜牟僮髂Ｊ接衅叻N，其中五種用于處理特定異常。如發(fā)生快速中斷(Fast Interrupt，FIQ)異常，則會(huì )進(jìn)入FIQ模式;如出現未定義指令，則進(jìn)入Undef模式，諸如此類(lèi)。

圖3： AArch32操作模式

模式間的轉換通常自動(dòng)執行，但是如果在現程序狀態(tài)寄存器(Current Program Status Register，CPSR)中寫(xiě)入模式字段，則可完全由軟件控制進(jìn)行模式轉換，具體細節稍后再做說(shuō)明。與SVCall指令類(lèi)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(僅為節省版面空間)。它們分別是Hyp模式(用于管理程序)和監控模式(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，這是因為兩者皆承襲了ARMv6及早期架構的共同特性。

多數指令可以訪(fǎng)問(wèn)13個(gè)通用寄存器(r0至r12)。兩種架構下，r13預設為棧指針(SP)，r14預設為連接寄存器(LR)，r15預設為程序計數器(PC)。ARMv7-M架構下，訪(fǎng)問(wèn)專(zhuān)用寄存器受到嚴格限制;AArch32下，可以用與其他通用寄存器相同的方式訪(fǎng)問(wèn)這些寄存器;不過(guò)無(wú)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(zhuān)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)入對應的模式下，這些寄存器會(huì )與相應的用戶(hù)模式切換。只有極少數特殊指令能夠訪(fǎng)問(wèn)，并且還無(wú)法直接訪(fǎng)問(wèn)。這些數值隨著(zhù)模式變化被保存，以輔助異常處理。特別值得指出的是，每種異常模式都對應獨立的棧指針，從而能夠在單獨堆棧上解決每個(gè)異常狀況。這就讓異常處理程序更可靠、防御性更強。異常出現后，相關(guān)模式的連接寄存器會(huì )被設定為異常返回地址。

每種異常模式都對應一個(gè)附加寄存器，即程序保護狀態(tài)寄存器(SPSR)。程序保護狀態(tài)寄存器用于出現異常時(shí)及時(shí)記錄當前的程序狀態(tài)寄存器數值以及LR，從而自動(dòng)保存相關(guān)數據。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架構下，有一個(gè)與ARM NEON SIMD指令集相關(guān)的獨立寄存器組，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指令集也支持依據字節或四倍字進(jìn)行向量運算。

異常模型

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

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

AArch32與早期A(yíng)RM架構中的異常模型更相近，早期的ARM架構中僅有8種異常類(lèi)型，向量也各不相同。向量表由可執行指令組成，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)先級中斷會(huì )連接FIQ，其他則連接IRQ。這意味著(zhù)系統要么裝有軟件調度程序，要么就要和現代系統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Cortex-A系統裝有基于A(yíng)RM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。欲了解更多信息，請參考《GIC架構參考手冊》。

虛擬內存支持

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

虛擬內存環(huán)境使操作系統能夠以更加靈活的方式管理內存，例如，允許單獨處理動(dòng)態(tài)擴展棧區域，按照需求將單個(gè)代碼和數據區域調入和調出外部存儲頁(yè)面，并使每個(gè)用戶(hù)處理系統內存映射的相同視圖。

圖6：虛擬內存

為此，如圖6所示，虛擬內存在處理器提供的每個(gè)地址上進(jìn)行“轉換”。軟件在“虛擬地址空間”和稱(chēng)為內存管理單元(Memory Management Unit，MMU)的模塊中運行，并將其轉換為“物理地址空間”，為系統中的每個(gè)用戶(hù)任務(wù)以及操作系統本身創(chuàng )建新的虛擬內存映射，還使操作系統完全控制訪(fǎng)問(wèn)權限等。每項任務(wù)都可以在自身的虛擬內存空間中執行，就像是系統中的唯一任務(wù)。只有操作系統知道外部物理內存中該任務(wù)的代碼和數據區域的真實(shí)物理位置。