ARM架构相关知识


目录

  • ARM架构相关知识
  • 前言
  • 架构相关的知识
  • arm相关寄存器
  • 经常使用的寄存器
  • 协处理器CP15
  • 系统控制寄存器SCTLR
  • PC指针相关
  • PC加8
  • 中断的PC指针更新
  • 关于缓存
  • ABI 接口（Application Binary Interfaces）
  • 程序调用标准
  • 关于堆栈
  • C中嵌入汇编


前言

本文记录ARM架构相关知识

架构相关的知识

arm相关寄存器

经常使用的寄存器

arm架构如何重装系统 arm架构升级_linux

r13 堆栈指针，lr 跳转寄存器，pc 程序运行指针
上图中灰色部分为各模式下特有的寄存器。

协处理器CP15

arm架构如何重装系统 arm架构升级_arm架构如何重装系统_02


以上为cp15的部分截图

cp15 协处理器，操作缓存，mmu，sctlr等寄存器

MRC指令 :将协处理器的寄存器中的数值传送到ARM处理器的寄存器中

MCR指令:作用是将ARM处理器的寄存器中的数据传送到协处理器寄存器中。

这里的c表示 cp15 ,r表示通用寄存器。

MCR{<cond>} <p>，<opcode_1>，<Rd>,<CRn>,<CRm>{,<opcode_2>}

其中，为指令执行的条件码。当忽略时指令为无条件执行。
<opcode_1>为协处理器将执行的操作的操作码。对于CP15协处理器来说，< opcode_1>永远为0b000，当<
opcode_1>不为0b000时，该指令操作结果不可预知。 作为源寄存器的ARM寄存器，其值将被传送到协处理器寄存器中。
作为目标寄存器的协处理器寄存器，其编号可能是C0，C1，…，C15。
和<opcode_2>两者组合决定对协处理器寄存器进行所需要的操作，如果没有指定，则将为为C0，opcode_2为0，否则可能导致不可预知的结果。

MRC 指令格式与MCR类似

MRC p15, Op1, Rt, CRn, CRm, Op2 ; read a CP15 register into an ARM register
MCR p15, Op1, Rt, CRn, CRm, Op2 ; write a CP15 register from an ARM register

arm架构如何重装系统 arm架构升级_寄存器_03

这是手册上的cp15使用示例，将c0寄存器（前面图片提到的midr）里的值读取到r1寄存器中。

系统控制寄存器SCTLR

arm架构如何重装系统 arm架构升级_arm开发_04


操作示例

setup_caches
MRC p15, 0, r1, c1, c0, 0 ; Read System Control Register (SCTLR)
BIC r1, r1, #1 ; mmu off
BIC r1, r1, #(1 << 12) ; i-cache off
BIC r1, r1, #(1 << 2) ; d-cache & L2-$ off
MCR p15, 0, r1, c1, c0, 0 ; Write System Control Register (SCTLR)

PC指针相关

arm架构如何重装系统 arm架构升级_缓存_05

PC加8

add r0 ,r1,#5 取指完成后，PC指向第二条指令，此时PC=PC+4
当第一条指令译码完成以后，此时PC=PC+8
当第一条指令开始执行时，PC值已经加上8了。
PC加8 与流水线多少没有关系。只要流线水大于3，PC = PC+8 是固定的。

中断的PC指针更新

对于IRQ/FIQ中断，PC=lr-4。
理解如下：IRQ/FIQ中断时，假如正在执行指令 A(add r0 ,r1,#5) ,由于上面所述 PC加8 的原因，PC指向A+8Byte处，那么必须等待指令A执行完成才能处理该中断，这时PC已经更新到A+12 Byte处，lr=PC-4（ARM处理器约定的） ,即A+8地址处。因此返回时要PC=lr-4,才是被中断要执行的下一条指令。

关于缓存

arm架构如何重装系统 arm架构升级_arm架构如何重装系统_06

上传左侧为cache 的立体图，右侧为32位地址的示意图。 line 为缓存最小的可加载单元。 index 决定缓存的哪一行。 tag
表示缓存中对应物理地址的哪部分。

下面是直接映射的简单示例，示说明缓存对性能的影响

arm架构如何重装系统 arm架构升级_linux_07

8-4 与8-5图的理解

1.注意8-4 图的示例cache 右侧为4行，左右二侧的虚线为映射关系。从图中可以看出多个地址遇到一个cache的情况。
2.图 8-5的cache address 的理解 2-3位做为line 的偏移。4-5位做为右侧cache图中4个line的index

上图中的映射显然，所有具有相同位[5:4]值的主存地址都将映射到缓存中的同一行。在任何给定的时间，这些行中只有一行可以在缓存中。这意味着很容易出现所谓的颠簸问题。考虑一个重复访问的循环地址0x00, 0x40和0x80，如下所示:

void add_array(int *data1, int *data2, int *result, int size)
{
	int i;
	for (i=0 ; i<size ; i++) {
	result[i] = data1[i] + data2[i];
}

在这个代码示例中，如果result、data1和data2分别是指向0x00、0x40和0x80的指针
然后这个循环将导致重复访问所有映射到同一行的内存位置缓存，如图8-7所示。

  • 当你读取地址0x80时，它将不在缓存中，因此发生行填充将从0x80到0x8F的数据放入缓存中—在此过程中会丢失数据（从地址0x40到0x4F）。
  • 结果写入0x00。根据分配策略的不同，这可能导致另一种情况缓存。从0x80到0x8F的数据可能会丢失。
  • 同样的事情将发生在循环的每次迭代中，我们的软件将执行不佳。因此在ARM的主缓存中通常不使用直接映射缓存

ABI 接口（Application Binary Interfaces）

ARM Architecture Procedure Call Standard (AAPCS) 是ABI的一部分。
AAPCS取代以前的ARM-Thumb程序调用标准(ATPCS)。

AAPCS指定了调用方必须遵守的规则，以使被调用方函数能够运行和被调用例程必须做什么，以确保调用方在被调用的函数返回。它描述了数据在内存中的布局方式以及堆栈的布局方式，加上处理器扩展允许的变化。它定义了代码是如何被分开的编译或组装在一起工作。

程序调用标准

arm架构如何重装系统 arm架构升级_linux_08

我们看到函数的调用R0-R3寄存器用于存放参数。如果一个函数的参数大于4个，多余的参数需要通过压栈的方式传递参数（如果没记错的话，压栈是从函数参数的右往左存压）。在堆栈上传递参数总是需要额外的指令和内存访问，这会降低性能。所以函数不要写太多参数。

对于(v1-v5、v7和v8)架构的CPU来说，寄存器R4-R8，R10和R11 通常用于被调用者保存局部变量的值。函数调用时

@ may need to preserve r0-r3
@ does not need to preserve r4-r11
BL Func
Func:
@ Must preserve r4-r11, lr (if used)
@ May corrupt r0-r3, r12
PUSH {r4-r11, lr}
...
...
...
POP {r4-r11, pc}
@ Returns value in r0 - char, short or int
@ Returns value in r0 & r1 - double

关于64位参数的规则，总是8字节对齐。64位参数必须以偶数加相邻的奇数寄存器对齐使用(例如R0 R1或R2 R3) ，不能出现R1,R2的情况。

例如
void test(int a,double b,int c);
R0中存放参数a, R1空着，因为b是64位，不能从R1开如。R2-R3存放b，c参数只存放堆栈。这里造成R1的浪费。
很明显void test(int a,int c,double b)这样的写法没有浪费空间。
如果b是要入堆栈的，要求8字节对齐的。

函数的返回值
返回char、short、int或单精度浮点值的函数将返回值放入R0中进行传递。如果返回64位值(双精度浮点或long long)的函数则将返回值放在R0和R1中。
如果有硬件浮点处理（VFP和NEON寄存器），返回的是浮点变量则通过NEON返回。

关于堆栈

ARM 堆栈实现是全降序的，R13指向堆栈的当前顶部(SP)。堆栈在虚拟内存空间中必须是连续的。

C中嵌入汇编
asm volatile (“usad8 %0, %1, %2” : “=r” (result): “r”(value1), “r”(value2));

asm volatile (assembler instructions : output operands (optional) : input operands (optional) : clobbered registers (optional) );

以“：”为分隔，第一个冒号前的为汇编代码，注意输出，输出的位置。

关于 Clobber 的解释：

如果指令连续使用一些寄存器。我们必须把这么寄存器列在clobber列表之中。
这样是为了告诉GCC我们自己将会使用并且修改它们。这样GCC将不会认为这些寄存器里的值是可用的。
如果我们的指令会改变寄存器的值，我们必须加上"cc"到clobber列表上。
如果我们的指令在不可预知的情况修改了内存，则要增加”memory”到clobber 列表。这样的话GCC在执行汇编指令时就不会在寄存器中保存这个内存的值。
如果对内存的影响并没有列在input或者output中，那么我们还要增加volatile这个关键字。