1、架构包含哪几部分内容
- 寄存器
- 处理模式
- 流水线
- MMU
- 指令集
- 中断
- FPU
- 总线架构
2、以STM32为例进行介绍
2.1 寄存器
| 寄存器 | 名称 | 作用 |
|---|---|---|
| R0-R3 | 通用寄存器 | 用于数据传递、计算及函数参数传递；R0 也用于存储函数返回值。 |
| R4-R12 | 通用寄存器 | 用于存储局部变量，减少频繁的内存访问。 |
| R13 | 栈指针 (SP) | 指向当前栈顶，负责管理栈操作。分为主栈指针 (MSP) 和 进程栈指针 (PSP)：系统中断处理和普通任务可以使用不同的栈。栈指针用于管理栈的操作，包括函数调用时保存现场和中断处理时保存寄存器状态。 |
| R14 | 链接寄存器 (LR) | 保存函数调用返回的地址，函数返回时恢复程序执行。 |
| R15 | 程序计数器 (PC) | 指向当前执行的指令地址，控制程序执行的流程。 |
| xPSR | 程序状态寄存器 | 包含条件标志 (N, Z, C, V) 以及处理器状态 (T 位用于 Thumb 指令集)。 |
| CONTROL | 控制寄存器 | 控制处理器工作模式，如栈指针选择 (MSP/PSP) 和权限级别 (特权级/用户级)。 |
| PRIMASK | 中断屏蔽寄存器 | 屏蔽所有可屏蔽中断，保证关键代码段不被中断打断。 |
| BASEPRI | 基础优先级寄存器 | 设置中断优先级屏蔽阈值，低于该阈值的中断会被屏蔽。 |
| FAULTMASK | 故障屏蔽寄存器 | 屏蔽所有异常，包括硬件故障，通常用于系统恢复或严重故障时。 |
分类记忆：
通用寄存器：R0-R12
R0-R3：用于数据传递、计算及函数参数传递；R0 也用于存储函数返回值。
R4-R12：用于存储局部变量，减少频繁的内存访问。
特殊功能寄存器：
R13（栈指针 SP）：指向当前栈顶，管理栈操作。
R14（链接寄存器 LR）：保存函数调用返回地址。
R15（程序计数器 PC）：指向当前执行的指令地址，控制程序流程。
状态和控制寄存器：
xPSR（程序状态寄存器）：包含条件标志和处理器状态。
CONTROL（控制寄存器）：控制处理器工作模式。
PRIMASK、BASEPRI、FAULTMASK：用于中断和故障管理。
2.2 处理模式
stm32默认普通程序和中断程序都工作在特权级。
- 处理者模式
- 始终运行在特权级
- 线程模式
- 可以运行在特权级和非特权级，通过CONTROL寄存器控制。
2.3 流水线
-
概念
MCU的流水线，指的是在指令执行过程中将一条指令的不同阶段拆分成多个步骤，让这些步骤可以并行执行，从而提高指令吞吐量。 -
一个典型的 ARM 处理器指令流水线包括以下阶段：
- 取指（Fetch）：从内存中获取指令。
- 译码（Decode）：将指令翻译成处理器可以理解的操作。
- 执行（Execute）：执行指令，如加法、乘法、位移等操作。
- 存储（Memory Access）：如果需要，进行内存访问，读取或写入数据。
-
ARM 处理器的流水线可以有多个阶段，常见的有 3 级、5 级或 7 级流水线，甚至更深的流水线设计。
2.4 MMU
MMU定义：Arm MMU深度解读
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ARM 处理器中的 MMU（Memory Management Unit，内存管理单元） 用于支持虚拟内存和内存保护。
-
它通过将虚拟地址转换为物理地址，并设置内存访问权限，确保操作系统和应用程序的内存安全。MMU 是多任务操作系统（如 Linux）运行的关键。
- 虚拟内存：MMU 支持将程序的地址空间映射到物理内存中，使得不同的任务可以使用不同的虚拟地址空间。
- 内存保护：通过 MMU，操作系统可以保护内存空间，防止进程间非法访问。
-
对于一些低端 ARM Cortex-M 系列（如 Cortex-M0），没有内置 MMU，而是使用 MPU（Memory Protection Unit） 进行简单的内存保护，而不支持完整的虚拟内存。
2.5 指令集
ARM 处理器的指令集架构基于 RISC 设计原则，使用精简指令集。常见的 ARM 指令集架构有：
- ARM 指令集：用于标准 32 位指令集的 ARM 处理器，支持更复杂的运算和操作。
- Thumb 指令集：是 ARM 的一种压缩指令集，指令长度为 16 位，旨在减少内存占用，适用于资源受限的嵌入式系统。Thumb 指令集的执行效率虽然略低，但通过减少代码大小提高了存储效率。
- Thumb-2 指令集：结合了 32 位 ARM 指令和 16 位 Thumb 指令，使得处理器能够在运行时动态切换不同指令集，提供更高的性能和代码密度。
2.6 中断
ARM 处理器具有复杂的中断和异常处理机制，其中NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller，嵌套向量中断控制器） 是 Cortex-M 系列中的重要模块，用于管理中断。
- 中断优先级：ARM Cortex-M 支持多级中断优先级，可以快速响应高优先级中断。
- 中断嵌套：允许高优先级中断在低优先级中断的处理中打断执行，实现中断的嵌套。
在发生中断时，处理器会自动保存必要的寄存器，并跳转到对应的中断服务程序 (ISR) 执行，处理完后恢复执行原程序。
中断现场保存
2.7 FPU
在一些高性能的 ARM Cortex-M 处理器（如 Cortex-M4、Cortex-M7）中，集成了硬件浮点运算单元 (FPU)，用于加速浮点数的运算。这对于涉及大量数学计算的应用（如信号处理、图像处理）非常有用。
- 单精度浮点运算（FPU-S）：支持 IEEE 754 标准的单精度浮点运算。
- 双精度浮点运算（FPU-D）：更高端的处理器支持双精度浮点运算。
2.8 总线架构
冯·诺依曼结构，也称统一存储结构，ARM 处理器通过各种总线架构连接外设、存储器和其他模块，常见的总线架构包括：
- AHB (Advanced High-performance Bus)：高性能总线，用于连接内存和高速外设。
- APB (Advanced Peripheral Bus)：低速外设总线，用于连接定时器、串口、GPIO 等外设。
- AXI (Advanced eXtensible Interface)：在高端 ARM 处理器中使用，支持高吞吐量和并发的外设访问。
