ARM基礎(chǔ)知識教程四：ARM存儲系統(tǒng)概述
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ARM存儲系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)適應(yīng)不同的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的需要差別很大。最簡單的存儲系統(tǒng)使用平辦事的地址映射機(jī)制，就像一些簡單的彈片機(jī)系統(tǒng)中一樣，地址空間的分配方式是固定的，系統(tǒng)各部分都使用物理地址。而一些復(fù)雜系統(tǒng)可能包括下面的一種或幾種技術(shù)，從而提供更為強(qiáng)大的存儲系統(tǒng)。
系統(tǒng)中可能包含多種類型的存儲器，如FLASH,ROM,RAM,EEPROM等，不同類型的存儲器的速度和寬度等各不相同。
通過使用CACHE及WRITE BUFFER技術(shù)縮小處理器和存儲系統(tǒng)速度差別，從而提高系統(tǒng)的整體性能。
內(nèi)存管理部件通過內(nèi)存映射技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬空間到物理空間的映射。在系統(tǒng)加電時，將ROM/FLASH影射為地址0，這樣可以進(jìn)行一些初始化處理；當(dāng)這些初始化完成后將RAM地址影射為0，并把系統(tǒng)程序加載到RAM中運(yùn)行，這樣很好地解決了嵌入式系統(tǒng)的需要。
引入存儲保護(hù)機(jī)制，增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性。
引入一些機(jī)制保證I/O操作應(yīng)設(shè)成內(nèi)存操作后，各種I/O操作能夠得到正確的結(jié)果。
與存儲系統(tǒng)相關(guān)的程序設(shè)計指南
本節(jié)從外部來看ARM存儲系統(tǒng)，及ARM存儲系統(tǒng)提供的對外接口。本節(jié)介紹用戶通過這些接口來訪問ARM存儲系統(tǒng)時需要遵守的規(guī)則。
1.地址空間
ARM體系使用單一的和平板地址空間。該地址空間大小為2^32個8位字節(jié)，這些字節(jié)的單元地址是一個無符號的32位數(shù)值，其取值范圍為0~2^32-1。ARM地址空間也可以看作是2^30個32位的字單元。這些字單元的地址可以被4整除，也就是說該地址低兩位為0b00。地址為A的字?jǐn)?shù)據(jù)包括地址為A、A+1、A+3、A+3 4個字節(jié)單元的內(nèi)容。
各存儲單元的地址作為32為無符號數(shù)，可以進(jìn)行常規(guī)的整數(shù)運(yùn)算。這些運(yùn)算的結(jié)果進(jìn)行2^32取模。
程序正常執(zhí)行時，每執(zhí)行一條ARM指令，當(dāng)前指令計數(shù)器加4個字節(jié)；每執(zhí)行一條Thumb指令，當(dāng)前指令計數(shù)器加2個字節(jié)。但是，當(dāng)?shù)刂飞习l(fā)生溢出時，執(zhí)行結(jié)果將是不可預(yù)知的。
2.存儲器格式
在ARM中，如果地址A是字對齊的，有下面幾種：
地址為A的字單元包括字節(jié)單元A,A+1,A+2,A+3。
地址為A的班子單元包括字節(jié)單元A,A+1。
地址為A+2的半字單元包括字節(jié)單元A+2,A=3.
地址為A的字單元包括半字節(jié)單元A，A+2。
在big-endian格式中，對于地址為a的字單元其中字節(jié)單元由高位到低位字節(jié)順序?yàn)锳,A+1,A=2，A+3;這種存儲器格式如下所示：
31 24 23 16 15 8 7 0
--------------------------------------------------------------------
字單元A |
--------------------------------------------------------------------
半字單元A|半字單元A+2 |
--------------------------------------------------------------------
字節(jié)單元A |字節(jié)單元A+1|字節(jié)單元A+2 |字節(jié)單元A+3|
--------------------------------------------------------------------
在little-endian格式中，對于地址為A的字單元由高位到低位字節(jié)順序?yàn)锳+3,A+2,A+1,A，這種存儲格式如下所示
31 24 23 16 15 8 7 0
--------------------------------------------------------------------
字單元A |
--------------------------------------------------------------------
半字單元A+2|半字單元A |
--------------------------------------------------------------------
字節(jié)單元A+3 |字節(jié)單元A+2|字節(jié)單元A+1 |字節(jié)單元A |
--------------------------------------------------------------------
在ARM系統(tǒng)中沒有提供指令來選擇存儲器格式。如果系統(tǒng)中包含標(biāo)準(zhǔn)的ARM控制協(xié)處理器CP15，則CP15的寄存器C1的位[7]決定系統(tǒng)中存儲器的格式。當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位時，寄存器C1的[7]值為零，這時系統(tǒng)中存儲器格式為little-endian格式。如果系統(tǒng)中采用的是big-endian格式，則復(fù)位異常中斷處理程序中必須設(shè)置c1寄存器的[7]位。
3.非對齊的存儲訪問操作
非對齊：位于arm狀態(tài)期間，低二位不為0b00；位于Thumb狀態(tài)期間，最低位不為0b0。
3.1非對齊的指令預(yù)取操作
如果系統(tǒng)中指定當(dāng)發(fā)生非對齊的指令預(yù)取操作時，忽略地址中相應(yīng)的位，則由存儲系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)這種忽略。
3.2非對齊的數(shù)據(jù)訪問操作
對于LOAD/STORE操作，系統(tǒng)定義了下面3中可能的結(jié)果：
*執(zhí)行結(jié)果不可預(yù)知
*忽略字單元地址低兩位的值，即訪問地址為字單元；忽略半字單元最低位的值，即訪問地址為半字單元。
*由存儲系統(tǒng)忽略字單元地址中低兩位的值，半字單元地址最低位的值。
4.指令預(yù)取和自修改代碼
當(dāng)用戶讀取PC計數(shù)器的值時，返回的是當(dāng)前指令下面的第二條指令的地址。對于ARM指令來說，返回當(dāng)前指令地址值加8個字節(jié)；對于Thumb指令來說，返回值為當(dāng)前指令地址值加4個字節(jié)。
自修改代碼指的是代碼在執(zhí)行過程中修改自身。應(yīng)盡量避免使用。
5.存儲器映射的I/O空間
在ARM中，I/O操作通常被影射為存儲器操作。通常需要將存儲器映射的I/O空間設(shè)置成非緩沖的。
*
ARM編譯器支持的數(shù)據(jù)類型
數(shù)據(jù)類型 長度（位） 對齊特性
Char 8 1(字節(jié)對齊)
short 16 2(百字對齊)
Int 32 4(字對齊)
Long 32 4(字對齊)
Longlong 64 4(字對齊)
Float 32 4(字對齊)
Double 64 4(字對齊)
Long double 64 4(字對齊)
All pointers 32 4(字對齊)
Bool(C++ only) 32 4(字對齊)
1.整數(shù)類型
在ARM體系中，整數(shù)類型是以2的補(bǔ)碼形式存儲的。對于long long類型來說，在little endian內(nèi)存模式下，其低32位保存在低地址的字單元中，高32為保存在高地址的字單元中；在big endian模式下，其低32位保存在高地址的字單元中，高32為保存在低地址的字單元中。對于整型數(shù)據(jù)的操作遵守下面的規(guī)則：
系統(tǒng)中可能包含多種類型的存儲器，如FLASH,ROM,RAM,EEPROM等，不同類型的存儲器的速度和寬度等各不相同。
通過使用CACHE及WRITE BUFFER技術(shù)縮小處理器和存儲系統(tǒng)速度差別，從而提高系統(tǒng)的整體性能。
內(nèi)存管理部件通過內(nèi)存映射技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬空間到物理空間的映射。在系統(tǒng)加電時，將ROM/FLASH影射為地址0，這樣可以進(jìn)行一些初始化處理；當(dāng)這些初始化完成后將RAM地址影射為0，并把系統(tǒng)程序加載到RAM中運(yùn)行，這樣很好地解決了嵌入式系統(tǒng)的需要。
引入存儲保護(hù)機(jī)制，增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性。
引入一些機(jī)制保證I/O操作應(yīng)設(shè)成內(nèi)存操作后，各種I/O操作能夠得到正確的結(jié)果。
與存儲系統(tǒng)相關(guān)的程序設(shè)計指南
本節(jié)從外部來看ARM存儲系統(tǒng)，及ARM存儲系統(tǒng)提供的對外接口。本節(jié)介紹用戶通過這些接口來訪問ARM存儲系統(tǒng)時需要遵守的規(guī)則。
1.地址空間
ARM體系使用單一的和平板地址空間。該地址空間大小為2^32個8位字節(jié)，這些字節(jié)的單元地址是一個無符號的32位數(shù)值，其取值范圍為0~2^32-1。ARM地址空間也可以看作是2^30個32位的字單元。這些字單元的地址可以被4整除，也就是說該地址低兩位為0b00。地址為A的字?jǐn)?shù)據(jù)包括地址為A、A+1、A+3、A+3 4個字節(jié)單元的內(nèi)容。
各存儲單元的地址作為32為無符號數(shù)，可以進(jìn)行常規(guī)的整數(shù)運(yùn)算。這些運(yùn)算的結(jié)果進(jìn)行2^32取模。
程序正常執(zhí)行時，每執(zhí)行一條ARM指令，當(dāng)前指令計數(shù)器加4個字節(jié)；每執(zhí)行一條Thumb指令，當(dāng)前指令計數(shù)器加2個字節(jié)。但是，當(dāng)?shù)刂飞习l(fā)生溢出時，執(zhí)行結(jié)果將是不可預(yù)知的。
2.存儲器格式
在ARM中，如果地址A是字對齊的，有下面幾種：
地址為A的字單元包括字節(jié)單元A,A+1,A+2,A+3。
地址為A的班子單元包括字節(jié)單元A,A+1。
地址為A+2的半字單元包括字節(jié)單元A+2,A=3.
地址為A的字單元包括半字節(jié)單元A，A+2。
在big-endian格式中，對于地址為a的字單元其中字節(jié)單元由高位到低位字節(jié)順序?yàn)锳,A+1,A=2，A+3;這種存儲器格式如下所示：
31 24 23 16 15 8 7 0
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字單元A |
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半字單元A|半字單元A+2 |
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字節(jié)單元A |字節(jié)單元A+1|字節(jié)單元A+2 |字節(jié)單元A+3|
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在little-endian格式中，對于地址為A的字單元由高位到低位字節(jié)順序?yàn)锳+3,A+2,A+1,A，這種存儲格式如下所示
31 24 23 16 15 8 7 0
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字單元A |
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半字單元A+2|半字單元A |
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字節(jié)單元A+3 |字節(jié)單元A+2|字節(jié)單元A+1 |字節(jié)單元A |
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在ARM系統(tǒng)中沒有提供指令來選擇存儲器格式。如果系統(tǒng)中包含標(biāo)準(zhǔn)的ARM控制協(xié)處理器CP15，則CP15的寄存器C1的位[7]決定系統(tǒng)中存儲器的格式。當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位時，寄存器C1的[7]值為零，這時系統(tǒng)中存儲器格式為little-endian格式。如果系統(tǒng)中采用的是big-endian格式，則復(fù)位異常中斷處理程序中必須設(shè)置c1寄存器的[7]位。
3.非對齊的存儲訪問操作
非對齊：位于arm狀態(tài)期間，低二位不為0b00；位于Thumb狀態(tài)期間，最低位不為0b0。
3.1非對齊的指令預(yù)取操作
如果系統(tǒng)中指定當(dāng)發(fā)生非對齊的指令預(yù)取操作時，忽略地址中相應(yīng)的位，則由存儲系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)這種忽略。
3.2非對齊的數(shù)據(jù)訪問操作
對于LOAD/STORE操作，系統(tǒng)定義了下面3中可能的結(jié)果：
*執(zhí)行結(jié)果不可預(yù)知
*忽略字單元地址低兩位的值，即訪問地址為字單元；忽略半字單元最低位的值，即訪問地址為半字單元。
*由存儲系統(tǒng)忽略字單元地址中低兩位的值，半字單元地址最低位的值。
4.指令預(yù)取和自修改代碼
當(dāng)用戶讀取PC計數(shù)器的值時，返回的是當(dāng)前指令下面的第二條指令的地址。對于ARM指令來說，返回當(dāng)前指令地址值加8個字節(jié)；對于Thumb指令來說，返回值為當(dāng)前指令地址值加4個字節(jié)。
自修改代碼指的是代碼在執(zhí)行過程中修改自身。應(yīng)盡量避免使用。
5.存儲器映射的I/O空間
在ARM中，I/O操作通常被影射為存儲器操作。通常需要將存儲器映射的I/O空間設(shè)置成非緩沖的。
*
ARM編譯器支持的數(shù)據(jù)類型
數(shù)據(jù)類型 長度（位） 對齊特性
Char 8 1(字節(jié)對齊)
short 16 2(百字對齊)
Int 32 4(字對齊)
Long 32 4(字對齊)
Longlong 64 4(字對齊)
Float 32 4(字對齊)
Double 64 4(字對齊)
Long double 64 4(字對齊)
All pointers 32 4(字對齊)
Bool(C++ only) 32 4(字對齊)
1.整數(shù)類型
在ARM體系中，整數(shù)類型是以2的補(bǔ)碼形式存儲的。對于long long類型來說，在little endian內(nèi)存模式下，其低32位保存在低地址的字單元中，高32為保存在高地址的字單元中；在big endian模式下，其低32位保存在高地址的字單元中，高32為保存在低地址的字單元中。對于整型數(shù)據(jù)的操作遵守下面的規(guī)則：
所有帶符號的整型書的運(yùn)算是按照二進(jìn)制的補(bǔ)碼進(jìn)行的。
帶符號的整型數(shù)的運(yùn)算不進(jìn)行符號的擴(kuò)展。
帶符號的整型數(shù)的右移操作是算數(shù)移位。
制定的移位位數(shù)的數(shù)是8位的無符號數(shù)。
進(jìn)行移位操作的數(shù)被作為32位數(shù)。
超過31位的邏輯左移的結(jié)果為0。
對于無符號數(shù)和有符號的正數(shù)來說，超過32位的右移操作結(jié)果為0；對于有符號的負(fù)數(shù)來說，超過32位的右移操作結(jié)果為-1。
整數(shù)除法運(yùn)算的余數(shù)和除數(shù)有相同的符號。
當(dāng)把一個整數(shù)截斷成位數(shù)更短的整數(shù)類型的數(shù)時，并不能保證所得到的結(jié)果的最高位的符號位的正確性。
整型數(shù)據(jù)之間的類型轉(zhuǎn)換不會產(chǎn)生異常中斷。
整型數(shù)據(jù)的溢出不會產(chǎn)生異常中斷。
整型數(shù)據(jù)除以0將會產(chǎn)生異常中斷。
2.浮點(diǎn)數(shù)
在ARM體系中，浮點(diǎn)數(shù)是按照IEEE標(biāo)準(zhǔn)存儲的。
float類型的數(shù)是按照IEEE的單精度數(shù)表示的。
double和long double 是用IEEE的雙精度數(shù)表示的。
對于浮點(diǎn)數(shù)的操作遵守下面的規(guī)則：
遵守正常的IEEE754規(guī)則。
當(dāng)默認(rèn)情況下禁止浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算異常中斷。
當(dāng)發(fā)生卷繞時，用最接近的數(shù)據(jù)來表示。
3.指針類型的數(shù)據(jù)
下面的規(guī)則適用于處數(shù)據(jù)成員指針以外的其他指針：
NULL被定義為0。
相鄰的兩個存儲單元地址相差一。
在指向函數(shù)的指針和指向數(shù)據(jù)的指針進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時，編譯器將會產(chǎn)生警告信息。
類型size_t被定義為unsigned int.
類型ptrdiff_t被定義為signed int。
兩個指針類型的數(shù)據(jù)相減時，結(jié)果可以按照下面的公式得到。
((int)a-(int)b)/(int)sizeof(type pointed to)
這時，只要指針?biāo)傅膶ο蟛皇莗ack的，其對齊特性能夠滿足整除的要求。
帶符號的整型數(shù)的運(yùn)算不進(jìn)行符號的擴(kuò)展。
帶符號的整型數(shù)的右移操作是算數(shù)移位。
制定的移位位數(shù)的數(shù)是8位的無符號數(shù)。
進(jìn)行移位操作的數(shù)被作為32位數(shù)。
超過31位的邏輯左移的結(jié)果為0。
對于無符號數(shù)和有符號的正數(shù)來說，超過32位的右移操作結(jié)果為0；對于有符號的負(fù)數(shù)來說，超過32位的右移操作結(jié)果為-1。
整數(shù)除法運(yùn)算的余數(shù)和除數(shù)有相同的符號。
當(dāng)把一個整數(shù)截斷成位數(shù)更短的整數(shù)類型的數(shù)時，并不能保證所得到的結(jié)果的最高位的符號位的正確性。
整型數(shù)據(jù)之間的類型轉(zhuǎn)換不會產(chǎn)生異常中斷。
整型數(shù)據(jù)的溢出不會產(chǎn)生異常中斷。
整型數(shù)據(jù)除以0將會產(chǎn)生異常中斷。
2.浮點(diǎn)數(shù)
在ARM體系中，浮點(diǎn)數(shù)是按照IEEE標(biāo)準(zhǔn)存儲的。
float類型的數(shù)是按照IEEE的單精度數(shù)表示的。
double和long double 是用IEEE的雙精度數(shù)表示的。
對于浮點(diǎn)數(shù)的操作遵守下面的規(guī)則：
遵守正常的IEEE754規(guī)則。
當(dāng)默認(rèn)情況下禁止浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算異常中斷。
當(dāng)發(fā)生卷繞時，用最接近的數(shù)據(jù)來表示。
3.指針類型的數(shù)據(jù)
下面的規(guī)則適用于處數(shù)據(jù)成員指針以外的其他指針：
NULL被定義為0。
相鄰的兩個存儲單元地址相差一。
在指向函數(shù)的指針和指向數(shù)據(jù)的指針進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時，編譯器將會產(chǎn)生警告信息。
類型size_t被定義為unsigned int.
類型ptrdiff_t被定義為signed int。
兩個指針類型的數(shù)據(jù)相減時，結(jié)果可以按照下面的公式得到。
((int)a-(int)b)/(int)sizeof(type pointed to)
這時，只要指針?biāo)傅膶ο蟛皇莗ack的，其對齊特性能夠滿足整除的要求。
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