前言

提起ARM，没有接触过的朋友可能第一反应是英语单词arm（手臂），事实上，ARM确实如同手臂对于人类一般，在我们生活中有着举足轻重的地位，本文会对ARM进行基础知识的讲解及科普，为大家介绍ARM。

学习arm重点学习两方面：程序运行原理、硬件控制原理。

一、ARM是什么？

ARM代表一个公司，即ARM公司（ Advanced RISC Machine[高级精简指令集计算机]），而ARM公司不生产芯片，做技术的授权，提供解决方案。 ARM公司授权芯片的公司，芯片产家在内核的基础上，增加了一些外设，发布一款芯片，这些芯片可以统称为SOC（即片上系统）
ARM表示一种技术
ARM可以表示一些处理器的统称，ARM处理器是英国Acorn有限公司（ARM前身）设计的低功耗成本的第一款RISC微处理器。全称为Advanced RISC Machine。ARM处理器本身是32位设计，但也配备16位指令集，一般来讲比等价32位代码节省达35%，却能保留32位系统的所有优势。

二、ARM的特点

最主要的特点是：耗电少功能强、16位/32位双指令集以及有众多的合作伙伴。
1.体积小、低功耗、低成本、高性能；
2.支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好的兼容8位/16位器件；
3.大量使用寄存器，指令执行速度更快；
4.大多数数据操作都在寄存器中完成；
5.寻址方式灵活简单，执行效率高；
6.指令长度固定。

三、ARM的使用场景

实际上，ARM已经在日常生活中极度常见。现代生活中人们的通信移不开手机，而关注手机性能的朋友们经常会注意手机的处理器，这些处理器即采用的是ARM。

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Cortex-A：
高通，联发科，海思，三星，飞思卡尔、面向尖端的基于虚拟内存的操作系统和用户应用。
Cortex-R：
实时处理器为要求可靠性、容错功能和实时响应的嵌入式系统，提供高性能解决方案。汽车电子，照相机摄像机。
Cortex-M：单片机
针对成本和功耗敏感的MCU和终端应用，一般不跑操作系统，可以运行实时操作系统：FreeRTOS，uCosII，LiteOS(华为)，意法半导体(ST)STM32系列

看到这里又有很多朋友问了，这上面这不都是cortex吗？看着与ARM毫不相干啊？各位看官不要急，且看下面的讲解。

1.计算机组成

讲解之前我们先看一看我们日常使用的计算机，了解下究竟什么是计算机。
输入设备、输出设备、存储器、运算器、控制器共同组成了cpu
1.输入设备：将其他信号转换为计算机可以识别的信号（电信号）。
2.输出设备：将电信号（０、１）转为人或其他设备能理解的信号。
3.存储器：存放程序和数据的部件,也是计算机能够实现“存储程序控制”的基础。
程序：指令的有序集合 //汇编指令
ROM： flash (EMMC)、磁盘空间、掉电不丢失数据
RAM：内存、掉电丢失数据
4.运算器：CPU对信息处理和运算的部件,常进行算术运算和逻辑运算,其核心是算术逻辑单元ALUCPU中用各种各样的数字电路搭配成各种各样的运算电路，如：加法、减法等。
5.控制器：整个计算机的指挥中心

2.架构

架构指支持的汇编指令集，由ARM公司设计的ARM内核的结构，内核中的部件如何协调工作，执行程序。
在较早的时期，ARM推出的架构几乎都是以ARM开头，诸如：
ARM-V1：ARM1
ARM-V2：ARM2、ARM3
ARM-V3：ARM6、ARM600、ARM610、ARM7、ARM700、ARM710
ARM-V4：StrongARM、ARM8、ARM810、ARM9
ARM-V5：ARM9E、ARM10E
ARM-V6：ARM11
从ARM-V7架构（即ARM11）开始，ARM的架构便以Cortex命名，该架构又分为三个系列，分别是：
Cortex-A ：高端系列，应用于尖端的精准设备，例如手机等
Cortex-R ：实时系列，实时响应，高性能高可靠容错强，衍生产品中体积最小的ARM处理器
Cortex-M：控制系列，单片机常用该系列，针对成本和功耗敏感的MCU和终端应用，可操作系统（只可跑小型系统）
Cortex-SC ：安全系列
ARMV7：Cortex-A5、Cortex-A7、Cortex-A8、Cortex-A9
ARMV8：Cortex-A53、Cortex-A73、Cortex-A78----ARMV8.2

3.指令集

有80%指令为通用指令，其余20%指令一般可以被通用指令替代
●精简指令集(RISC)–>微处理器
在复杂指令集里边选取了一些比较简单，使用频率较高的指令
指令的宽度固定，多为单周期指令。(ARM固定8位4字节)
举例：如有加法运算器，没有乘法运算器 3*3 —》3+3+3
●复杂指令集(CISC)–>电脑CPU
注重的指令的功能性，指令的周期，指令的宽度不固定

注：
伪指令与错误指令：
若指令无对应运算器，则会转变为已有的其他运算器执行功能（例如3*3可变为3+3+3的两条加法运算），
运算器越少，处理速度越慢，重量越少（故而游戏本性能高但更重），反之亦然。
上述没有对应的指令，用其他指令实现了相应功能，该类替代指令被称作伪指令，若无法实现（无替代指令）
则原指令为错误指令

4.指令解析

1)取指:控制器将PC寄存器中的值发送给内存,内存将对应地址中的指令(机器码)传送回CPU的指令寄存器IR中
2)译码:指令译码器对IR中的指令进行识别,即将指令(机器码)翻译成具体的运算操作(+/-/*…)
3)执行:运算器执行对应的指令并将结果写入寄存器

执行完一条指令后CPU内对应的硬件会将PC的值自动增加使PC指向内存中的下一条指令

5.工作模式

七种工作模式（重点）：

除用户模式外其余都为特权模式

1.用户模式(user)：
用户程序的工作模式，运行在操作系统的用户态，不能操作其他硬件资源，
只能执行处理自己的数据，也不能切换到其他模式，要切换到其他模式，只能产生中断或其他异常

2.系统模式(system)：
系统模式是特权模式，使用和User模式相同寄存器集的特权模式，保证不同任务每次调用同一个函数都是从头开始。
使用同一套寄存器。
操作系统通过该模式使用户访问受限的资源

3.一般中断模式(IRQ)：
用于处理一般的中断请求（低优先级中断）。
一般在硬件产生中断信号后会自动进入该模式，是一种特权模式，可以自由访问系统硬件资源

4.快速中断模式(FIQ)：
用于处理时间要求比较紧急的中断请求（高优先级中断）。一般在高速数据传输及通道中。

5.管理模式(SVC–super visor)：
一般CPU上电之后会自动进入该模式，该模式主要完成系统的初始化，软中断也会进入该模式。
如果在用户模式下可以通过软中断进入该模式，请求访问硬件资源

6.未定义模式(undefined)：
未定义指令中止。CPU在指令的译码阶段不能识别该指令操作时（错误指令），则会进入该模式

7.终止模式非法访问(abort)：
当用户非法访问内存，没有权限读写内存地址时，会进入该模式

8.cortex后增加安全模式(monitor)：
为了安全而扩展出来的用于执行安全监控代码的模式，也是一种特权模式

四、寄存器

寄存器：是一种特殊的存储器，在CPU内部，可以用来存储数据，但是存储的内容有一定作用，ARM之前的架构有37个32-Bits长的寄存器
对于Cortex A 有40个寄存器，每个寄存器有32bit。对于寄存器是没有地址的，用编号表示。
●A32：每个寄存器可以存储一个32位数据
●A64：每个寄存器可以存储一个64位数据

R13：栈指针寄存器SP（the stack pointer）
存放栈顶的地址

R14：链接寄存器LR（the link register）
函数调用时，保存返回地址
（保存调用函对应指令的下一条指令地址，返回的时候把lr值给pc，可以继续执行接下来的代码）

R15：程序计数寄存器PC（the program counter）
存放当前取指指令的地址

PSR程序状态寄存器：共有6个，当前程序状态寄存器CPSR是所有运行模式所共享的，而另外5个PSR为模式私有，用来对CPSR进行备份的寄存器叫做SPSR。

CPSR：当前程序状态寄存器（current program status register）

存储当前程序运行状态
31-28   NZCV四个条件代码标记位（运算结果为负，运算结果为0，进位，溢出）
27-8    无用保留位
7-5     IFT   I和F为中断标记位，0为中断打开，都为1表示静止状态；T为0表示ARM状态，T为1表示Thumb状态.
4-0     M4-M0 处理器模式位（8种模式）

SPSR：保存程序状态的寄存器（saved program status register）
用于保存cpsr

注：
CPU识别的是机器码，但由于不同的CPU运算器不同，处理指令不同，则导致对应指令集的不同（即机器码不同）。
汇编最接近机器码，则指令集不同，故而汇编代码不能移植到不同的机器中.
为何不同系统都可以实现C程序？
因为C针对不同的系统有不同的编译器，交叉编译工具编译C，实现C的程序移植ARM系统。