二、冯式结构与哈佛结构及ARM处理器状态和处理器模式

2.1 冯式结构与哈佛结构

2.1.1 两者的区别

• 如果是独立的存储架构和信号通道那就是哈佛结构，否则就是冯式结构
• 结构与是否统一编址没有关系，也与 CPU 没有关系，与计算机的整体设计有关
• CACHE 的引入(CPU 内部哈佛结构)
  
• 总结：高性能单片机的为冯式结构，单片机为哈佛结构

8086	冯式结构	相同存储（RAM） 相同的通道	统一编址
STM32F103	哈佛结构	不同的存储（ROM/RAM） 不同的通道	统一编址
8051	改进型的哈佛结构	不同的存储（ROM/RAM） 相同的通道	独立编址
ARM9	改进型的冯式结构	相同的存储（RAM/ROM） 不同的通道	统一编址

 

2.1.2 总线与 IO 访问

• ARM 总线结构（AHB， APB， AXI）与内部外设进行通讯方式：
  • （系统总线）访问与IO访问（独立与统一） 
    
  • IO 就是指 CPU 的各种内部与外部外设
    
  • IO 接口的编址方式： 
    • 区别于单片机中的 GPIO 通信访问,GPIO 本身是一个内部外设 
    • IO 接口中能被 CPU 访问的寄存器称为端口/寄存器
      
    • 端口与存储器统一编址（ARM） uart gpio
      
    • 端口与存储器独立编址（X86） 8259A 8255(并口) 8253(定时器) 
    • 通过 MEMR/MEMW 和 IOR/IOW 两组控制信号来实现对 I/O 端口和存储器的不同寻址 

2.2 ARM处理器状态和处理器模式

• 注意： 在不同的体系下一些概念有所不同， 在这里我们使用 S3C2440 手册进行参考 

 

2.2.1 处理器状态

• 从程序员的角度看，ARM920T 处于以下两种状态之一：
  • ARM 状态：执行 32 位以字对齐的 ARM 指令。 
    
  • Thumb 状态：执行 16 位以半字对齐的 Thumb 指令。在此状态下，程序计数器（PC）使用位 1 来切换半字。代码密度好 
• 两种状态的切换并不影响处理器模式或寄存器内容。 
• 进入 Thumb 状态
  • 执行一个 BX 指令可以实现进入到 Thumb 状态，操作数寄存器设置状态位(位[0])
  • 如果处理器在 Thumb 状态进入发生异常（如 IRQ、FIQ、UNDEF、ABORT、SWI 等），异常处理返回时也将自动切换回 Thumb 状态。（异常都是在 ARM 状态中执行） 
• 进入 ARM 状态ARM 状态的进入可以通过下列方法：
  • 执行 BX 指令，并且操作数寄存器清除状态位。
  • 处理器发生异常（如 IRQ, FIQ, RESET, UNDEF, ABORT, SWI 等）。此情况下，将程序计数器的内容复制到异常模式的链接寄存器中，并且异常处理将从异常向量地址开始 

 

2.2.2 处理器模式

• ARM920T 支持 7 种运行模式：
  • 用户（usr）：正常 ARM 程序执行状态快中断（fiq）：为支持数据传输或通道处理设计
  • 中断（irq）：用于一般用途的中断处理
  • 管理（svc）：操作系统保护模式
  • 中止（abt）: 数据或指令预取中止后进入
  • 系统（sys）：操作系统的特权用户模式
  • 未定义（und）：执行了一个未定义指令时进入 
• 模式的改变可由软件控制，或者由外部中断或进入异常引起。大部分应用程序都将在用户模式执行。 被称为特权模式的非用户模式，都将进入到中断服务或异常中去，或者访问受保护的资源。 
• 设计的目的： 提高响应速度， 注意： 保护模式/特权模式， 需要 MMU 和代码支持
  

2.2.3 ARM 流水线设计

ARM9 为 5 级流水线