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硬件架构相关篇为:

ARM模式

  • ARM公司本身并不靠自有的设计来制造或出售CPU,而是将处理器架构授权给有兴趣的厂家。提供了ARM内核的集成硬件叙述,包含完整的软件开发工具(编译器、debuggerSDK),以及针对内含ARM CPU硅芯片的销售权。

  • 许多半导体公司持有ARM授权:AtmelBroadcomCirrus LogicFreescale(于2004从摩托罗拉公司独立出来)、富士通、英特尔(借由和Digital的控诉调停)、IBMNVIDIA、台湾新唐科技(Nuvoton Technology)、英飞凌、任天堂、恩智浦半导体(于2006年从飞利浦独立出来)、冲电气、三星电子、苹果、夏普、意法半导体、德州仪器和VLSI等许多这些公司均拥有各个不同形式的ARM授权。虽然ARM的授权项目由保密合约所涵盖,在知识产权工业,ARM是广为人知最昂贵的CPU内核之一。单一的客户产品包含一个基本的ARM内核可能就需索取一次高达美金20万的授权费用。而若是牵涉到大量架构上修改,则费用就可能超过千万美元。

处理器时间轴 | Cortex | 2006

从图中可以看出 ARM经典(Classic)Cortex 两个核心系列,太老的历史就不去翻了,Cortex就是ARM公司一个系列处理器的名称。比如英特尔旗下处理器有酷睿,奔腾,赛扬。ARM在最初的处理器型号都用数字命名,最后一个是ARM11系列,在ARM11以后的产品改用Cortex命名,时间分割线是 2006年前后,并分成ARM三类,有意思的是这三个系列也暗合了ARM这个名字,为各种不同的市场提供服务。

  • 应用类 (Application) : 简称 Cortex-A 系列,面向尖端的基于虚拟内存的操作系统和用户应用。
  • 嵌入式类 (Real-time) : 简称 Cortex-R 系列,针对实时系统。
  • 微处理器类 (Micro-controller) : 简称 Cortex-M 系列,对微控制器和低成本应用提供优化。
  • 鸿蒙内核分成 轻量型(基于LiteOS_M) 和 小型(基于LiteOS_A) 说的就是分别基于 Cortex-A/RCortex-M的内核实现。

指令集时间轴 | RISC | ARMv7

看完处理器时间轴,再看ARM指令集架构历史,很多人分不清指令集和处理器的区别,指令集是处理器使用的指令编码方式,指令集的命名方式为 armv+version,目前是 armv1armv8,数字越大表示指令集越先进,对于不同的处理器,arm 公司设计的处理器采用了不同的指令集。

  • 精简指令集计算机(英语:reduced instruction set computer,缩写:RISC )或简译为 精简指令集,是计算机中央处理器的一种设计模式。特点是指令数目少,每条指令都采用标准字长、执行时间短。RISC 处理器每条指令执行一个动作,只需一个周期即可完成,优化了操作执行时间。使用固定长度的指令,所以流水线更容易。并且由于它缺乏复杂的指令解码逻辑,它支持更多的寄存器并且花费更少的时间将值加载和存储到内存中。总结下来这样的好处是非常的省电,对于手持设备来说这是巨大的优势,不用抖音没滑几下就要到处找充电宝,所以这也是在移动互联网时代ARM芯片大行其道的最底层原因,通常被认为是当今可用的最高效的 CPU 架构技术。目前使用RISC的微处理器包括 DEC AlphaARCARMAVRMIPSPA-RISCPower ISA(包括PowerPC、PowerXCell)、RISC-VSPARC等。
  • 与之对应的是复杂指令集计算机(英文:Complex Instruction Set Computer;缩写:CISC)或简译为 复杂指令集,是一种微处理器指令集架构,每个指令可执行若干低端操作,诸如从存储器读取、存储、和计算操作,全部集于单一指令之中。特点是指令数目多而复杂,每条指令字长并不相等,电脑必须加以判读,并为此付出了性能的代价。
  • 指令集是标准,基于标准可以设计无数的处理器型号。这并不难理解,跟我们手机充电线一样TYPE-C是目前大部分安卓手机的标准,但设计充电线的公司可以有很多,ARM就是设计充电线的公司。 指令集:处理器 = 1:N (1对多) 关系,指令集向下兼容,指令集的设计原则是 开闭原则,对扩展是开放的,但是对于修改是封闭的。但注意 RISC 是一套标准,可不是ARM公司的私有财产。ARM公司在使用这个标准的时候为了方便和效率肯定会在内部对其命名。如下表所示:
    指令集架构 处理器家族
    ARMv1 ARM1
    ARMv2 ARM2、ARM3
    ARMv3 ARM6、ARM7
    ARMv4 StrongARM、ARM7TDMI、ARM9TDMI
    ARMv5 ARM7EJ、ARM9E、ARM10E、XScale
    ARMv6 ARM11、ARM Cortex-M
    ARMv7 ARM Cortex-A、ARM Cortex-M、ARM Cortex-R
    ARMv8 Cortex-A35、Cortex-A50系列[18]、Cortex-A70系列、Cortex-X1
    ARMv9 Cortex-A510、Cortex-A710、Cortex-X2
    表中不难发现 ARMv7 是个转折点,Cortex 三个应用场景产品正是基于它横空出世,鸿蒙内核源码分析系列篇的 ARM文档基础 《ARM体系架构参考手册》背景为 ARMv7 ,其提供了关于ARM处理器架构和指令集,区分接口,所有的ARM处理器的支持(如指令语义)的实现细节等等,可在QQ群中下载名称为:ARM体系架构参考手册(ARMv7-A/R).pdf ,关于指令集的介绍具体的翻看系列篇 (指令集篇)
  • ARM 架构详细历史

八种CPU模式

CPU ARM架构指定了以下的CPU模式。在任何时刻,CPU只可处于某一种模式,但可由于外部事件(中断)或编程方式进行模式切换。具体翻看 (工作模式篇) 结合代码详细说明。

  • 用户模式 :仅非特权模式。
  • 系统模式 :仅无需例外进入的特权模式。仅以执行明确写入CPSR的模式位的指令进入。
  • Supervisor (svc) 模式 :在CPU被重置或者SWI指令被执行时进入的特权模式。
  • Abort 模式 :预读取中断或数据中断异常发生时进入的特权模式。
  • 未定义模式 :未定义指令异常发生时进入的特权模式。
  • 中断模式 :处理器接受一条IRQ中断时进入的特权模式。
  • 快中断模式: 处理器接受一条IRQ中断时进入的特权模式。
  • Hyp 模式: armv-7a为cortex-A15处理器提供硬件虚拟化引进的管理模式。

寄存器

图表解读

  • 寄存器 R0-R7 对于所有CPU模式都是相同的,它们不会被分块。
  • R8-R12R8_fiq-R12_fiq,其实是不同的寄存器,前缀一样是为了管理和识别方便,在实际代码中当切到快中断模式后,使用 R8 其实在CPU内部用的是 R8_fiq寄存器,此处暂且记下,具体在 (中断切换篇) 中结合源码详细说明。
  • 对于所有的特权CPU模式,除了系统CPU模式(与用户模式共用)之外,R13R14都是分块的。也就是说,每个因为一个异常(exception)而进入的模式,有其自己的R13R14。这些寄存器通常分别包含堆栈指针和函数调用的返回地址。
    • R13 也被指为 SP(Stack Pointer)
    • R14 也被指为 LR(Link Register)
    • R15 也被指为 PC(Program Counter) 由此也能推出这些特权模式有自己独立的运行栈。具体在 (寄存器篇) 结合源码详细说明

百文说内核 | 抓住主脉络

  • 百文相当于摸出内核的肌肉和器官系统,让人开始丰满有立体感,因是直接从注释源码起步,在加注释过程中,每每有心得处就整理,慢慢形成了以下文章。内容立足源码,常以生活场景打比方尽可能多的将内核知识点置入某种场景,具有画面感,容易理解记忆。说别人能听得懂的话很重要! 百篇博客绝不是百度教条式的在说一堆诘屈聱牙的概念,那没什么意思。更希望让内核变得栩栩如生,倍感亲切。
  • 与代码需不断debug一样,文章内容会存在不少错漏之处,请多包涵,但会反复修正,持续更新,v**.xx 代表文章序号和修改的次数,精雕细琢,言简意赅,力求打造精品内容。
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