嵌入式学习之初探

推荐一篇博文：完全看懂ARM处理器,言简意赅，基本上都提到了！

1、嵌入式处理器内核的分类

按照字长可以分为：8/16/32/64 位结构
按照存储可以分为：冯诺依曼和哈佛(程序和数据分开存储)结构
按照指令集可以分为：CISC、 RISC结构

CISC(complex instruction set computer 复杂指令集)
RISC(reduced instruction set computer 精简指令集)

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RISC–加载/存储型的，数据处理类的指令仅能处理寄存器中的数据。
无论是对外部设备还是对系统存储器的访问都需要加载/存储指令来完成。

2、IP

IP地址分为A类、B类、C类三个基本类。另外两类分别为组播地址和备用地址（C类和D类）。

C类IP地址范围192.0.0.1 ~ 223.255.255.254

第1、2、3字节为网络地址，第四个字节为主机地址。

C类地址数量较多，使用于局部局域网中，每个网络中最多包含254台计算机。

3、ARM 和 Cortex

ARM7-冯诺依曼结构
Cortex - M3系列是哈佛结构

Cortex 系列分为A-R-M
A系列是面向尖端虚拟内存的操作系统和用户应用。
R系列是针对实时系统
M系列是对微控制器

ARM7 ≠ ARMv7

ARMv7是一种构架。ARM7是一种处理器型号，ARM7是在ARMv4构架上设计出来的处理器

ARM7：ARMv4架构，ARM9：ARMv5架构，ARM11：ARMv6架构，ARM-Cortex 系列：ARMv7架构。

ARM7没有MMU(内存管理单元)，只能叫做MCU（微控制器），不能运行诸如Linux、WinCE等这些现代的多用户多进程操作系统，因为运行这些系统需要MMU，才能给每个用户进程分配进程自己独立的地址空间。ucOS、ucLinux这些精简实时的RTOS不需要MMU，当然可以在ARM7上运行。

ARM9、ARM11，是嵌入式CPU（处理器），带有MMU，可以运行诸如Linux等多用户多进程的操作系统，应用场合也不同于ARM7。

到了ARMv7架构的时候开始以Cortex来命名，并分成Cortex-A、Cortex-R、Cortex-M三个系列。

所以看上去ARM7跟Cortex-M很像，因为他们都是MCU，但确是不同代不同架构的MCU（Cortex-M比ARM7高了三代！），所以性能也有很大的差距。此外，Cortex-M系列还细分为M0、M3、M4和超低功耗的M0+，用户依据成本、性能、功耗等因素来选择芯片。

4、关于指令集

Thumb其实就是阉割版的ARM指令集,16位
Thumb-2指令集是兼容32位与16位指令的；ARM指令集不兼容，如需用到16位，得需要告诉编译器，我要用16位的了
这样来理解更好，Thumb指令集是16位的，ARM指令集是32位的，中间有Thumb-2作为桥接。

ARM处理器有三种工作状态：

1、ARM状态 (指令宽度32)

2、Thumb 及 Thumb-2状态 （前者指令宽度16，后者指令可以32也可以16）(指令宽度小了，也就意味着代码密度要大于ARM状态了，但是存储空间小)

3、调试状态

关于Thumb状态和ARM状态的切换方法：
通过BX指令，写数据到操作数寄存器的最低位。

R0[0]=1 –从RAM状态切换到Thumb状态。
R0[0]=0 –从Thumb状态切换到RAM状态。

还有一个知识点就是ARM处理器复位后的状态都是ARM状态

对了，
关于RAM处理器，Cortex-M系列（ARMv7架构）的指令集只有Thumb-2。

5、ARM的几个常见寄存器

CPSR (Current program status register)

CPSR(当前程序状态寄存器)在任何处理器模式下被访问。它包含了条件标志位、中断禁止位、当前处理器模式标志以及其他的一些控制和状态位。

通过写入不同值切换到不同的模式，模式有7种。

用户模式：user
快速中断模式 – FIQ
外部中断模式 – IRQ
管理模式 – SVC
终止模式 – ABT
未定义指令模式 – UND
系统模式 – SYS

SPSR

每一种处理器模式下都有一个专用的物理状态寄存器，称为SPSR（备份程序状态寄存器）。当特定的异常中断发生时，这个寄存器用于存放当前程序状态寄存器的内容。在异常中断退出时，可以用SPSR来恢复CPSR。由于用户模式和系统模式不是异常中断模式，所以他没有SPSR。当用户在用户模式或系统模式访问SPSR，将产生不可预知的后果。

R13寄存器组

就Cortex-M3来说，拥有R0-R15的寄存器组。其中R13作为堆栈指针SP。SP有两个，分别为R13(MSP)和R13(PSP)即主堆栈指针（MSP）和进程堆栈指针（PSP），但在同一时刻只能有一个可以看到，这也就是所谓的“banked”寄存器。这些寄存器都是32位的。

6、冯诺依曼结构和哈佛结构

总体可以这样理解：

冯诺依曼，是一种程序指令储存和数据储存在一起的存储器结构
哈佛结构，是一种将程序指令储存和数据储存分开的存储器结构

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7、ARM的七种模式

用户模式（User，usr） 正常程序执行的模式

快速中断模式（FIQ，fiq）用于高速数据传输和通道处理

外部中断模式（IRQ，irq）用于通常的中断处理

特权模式（Supervisor，svc）供操作系统使用的一种保护模式

数据访问中止模式（Abort，abt）用于虚拟存储及存储保护

未定义指令中止模式（Undefined，und） 用于支持通过软件方针硬件的协处理器

系统模式（System，sys） 用于运行特权级的操作系统任务

8、启动文件不能省

在启动文件中我们可以做任何事情，但是通常我们可以做这些：
改变程序大小端排序，
关闭看门狗，
屏蔽中断，
设置各个时钟，
设置从SLEEP或者IDLE启动时的程序，
初始化SDRAM，
设置各模式指向的堆栈，
设置好中断向量表，
判断是从NOR还是NAND FLASH启动，
将文件拷到SDRAM中，

以上也说明了为什么需要一个汇编写的启动文件，

设置各个模式下的SP指针以及初始化中断向量的跳转（ARM的中断较多设置也较灵活）也只有汇编干比较合适了。甚至在SOC（片上系统）中每个任务都有自己的堆栈，所以改变堆栈指针的那一部分程序也是放在汇编里做的。总之了解启动文件是一个非常好的切入点。

9、大小端存储

汗颜，，以前专门查过一波(戳这里)，现在又忘得差不多了，看来知识真的是得常实践啊~~~~

所谓的大端模式就是，低地址存储高位字节。
所谓的小端模式就是，低地址存储低位字节。

10、立即数

汇编语言中中操作数有三种：寄存器操作数、存储器操作数和立即数。
其中立即数相当于高级语言中的常量（常数），它是直接出现在指令中的数，不用存储在寄存器或存储器中的数，如指令ADD AL,06H中的06H即为立即数。

11、ARM常见指令

RAM六大指令集，更多解释戳这里

LDR -> Load
STR -> Storage

— LDR 字数据加载指令(存储器到寄存器的数据传送指令)

— LDRB 字节数据加载指令

— LDRH 半字数据加载指令

— STR 字数据存储指令

— STRB 字节数据存储指令

— STRH 半字数据存储指令

ARM指令中，用于指定位置”1”的指令是：ORR

ORR R0，R0，＃3 ； 该指令设置R0的0、1位，其余位保持不变。

12、实时操作系统的特征

异步IO和中断处理能力
任务切换时间和中断延迟时间确定
优先级中断和调度
抢占式调度
内存锁定
连续文件
同步

13、到底是什么叫内核？

典型的单片机程序在程序指针复位后，首先进行堆栈、中断、中断向量、定时器、串行口等接口设置、初始化数据存储区和显示内容，然后就来到了一个监测、等待或空循环，在这个循环中，CPU可以监视外设、响应中断或用户输入。
这段主程序可以看作是一个内核，内核负责系统的初始化和开放、调度其它任务，相当于C语言中的主函数。

现代操作系统设计中，为减少系统本身的开销，往往将一些与硬件紧密相关的（如中断处理程序、设备驱动程序等）、基本的、公共的、运行频率较高的模块（如时钟管理、进程调度等）以及关键性数据结构独立开来，使之常驻内存，并对他们进行保护。通常把这一部分称之为操作系统的内核。

14、同步IO和异步IO

CPU的速度远远快于磁盘、网络等IO。在一个线程中，CPU执行代码的速度极快，然而，一旦遇到IO操作，如读写文件、发送网络数据时，就需要等待IO操作完成，才能继续进行下一步操作。这种情况称为同步IO。

在IO操作的过程中，当前线程被挂起，而其他需要CPU执行的代码就无法被当前线程执行了。

因为一个IO操作就阻塞了当前线程，导致其他代码无法执行，所以我们必须使用多线程或者多进程来并发执行代码，为多个用户服务。每个用户都会分配一个线程，如果遇到IO导致线程被挂起，其他用户的线程不受影响。

多线程和多进程的模型虽然解决了并发问题，但是系统不能无上限地增加线程。由于系统切换线程的开销也很大，所以，一旦线程数量过多，CPU的时间就花在线程切换上了，真正运行代码的时间就少了，结果导致性能严重下降。

由于我们要解决的问题是CPU高速执行能力和IO设备的龟速严重不匹配，多线程和多进程只是解决这一问题的一种方法。

另一种解决IO问题的方法是异步IO。当代码需要执行一个耗时的IO操作时，它只发出IO指令，并不等待IO结果，然后就去执行其他代码了。一段时间后，当IO返回结果时，再通知CPU进行处理。

15、关于存储器必须要知道的知识

RAM 通常又有DRAM和SRAM之分，SRAM较DRAM电路复杂，但是速度更快，高速缓冲区就是典型的SRAM。 SRAM的复杂决定了它做不大，几十K，，，
内存条就是DRAM 内存条就上G了。。。

Flash闪存有两大类，或非型（NOR Flash）和与非型（NAND Flash）。前者以字节为单位进行随机存取，存储在里面的程序（叫”固件”？？？）可以被CPU执行。后者以页为单位进行存取，速度较前者慢。读出程序或数据时，是先将其预存入RAM，然后才被使用的。虽然速度较慢，但是其寿命，容量成本等方面有很大优势，常用的U盘基本都是NAND Flash。。

16、编码

ASCII

ASCII共128个字符，96个可打印字符，32个控制字符。
ASCII是7位编码，但在计算机里用一个字节存放（计算机最基本的存储和处理单位）。每个字节多出的1位在计算机内部常保持为0，在数据传输中是奇偶校验位。

汉字编码

GB2312 – 两字节编码（每个字节最高位默认为1），包含常用的中国汉字和图形符号。 GB18030 –
与国际Unicode相兼容。单字节对应ASCII，双字节对应汉字（GB2312在这完全适用，但是比它范围广），其余四字节对应其他字符。

Unicode

UTF-8 – 单字节可变长编码，单字节向下兼容ASCII，音节文字对应两字节，CJK汉字(china japan koera
中日韩汉字)对应三字节，其余对应四字节。Linux 常用。

UTF-16 – 双字节可变长编码，CJK汉字及常用字符两字节，其余四字节。JAVA .NET 常用。

17、ARM处理器 ≠ ARM处理器核

概念的区分， 处理器核：在某种架构的基础上具有取指令和执行指令的组件。 处理器：
以处理器核为中心，加上MMU，中断控制器，浮点运算器，总线接口等就构成了RAM处理器。

当然了，单独的处理器核也可以作为某一代RAM处理器的。

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