第二章 S5PV210的简单介绍

1、s5pv210的流水线

为增加处理器指令流的速度，ARM使用多级流水线。S5PV210是13级流水线，ARM11为8级。

下图是CPU简单执行过程。从存储器取指令，然后解码，最后执行。当然S5PV210的流水线没有下面这么简单，会多很多级，但是本质原理是一致的。

PC指向正被取指的指令，而非正在执行的指令。因为在armv7架构的cpu中，是可以操作PC的，如果在一个时刻读取PC的指，对于ARM指令，那么当前读取PC的指令所在的地址就是PC-8。如果是thumb指令，那么当前读取PC的指令所在的地址就是PC-4。

在armv8的64位架构中，不允许对PC进行操作。

2、ARM的异常处理机制

2.1 异常产生

当异常产生时，ARM core会做以下的操作：

1） 拷贝CPSR到SPSR_<mode>

2） 设置适当的CPSR

3） 改变处理器模式进入ARM态

4） 改变处理器模式进入相应的异常模式

5） 设置中断禁止位禁止相应中断

6） 保存返回地址到LR_<mode>

7） 设置PC为相应的异常向量

返回时，异常处理需要

1） 从SPSR_<mode>恢复CPSR

2） 从LR_<mode>恢复PC

以上操作只能在ARM态下执行，也就在异常产生后，会将CPU的状态设置为ARM状态。

异常处理中有一些事硬件自动做的，有一些是软件做的。

硬件做的事有：保存CPSR, 保存返回地址，设置CPSR。PC设置为异常表的入口地址。

软件做的事有：保存寄存器，执行异常处理程序。

2.2 异常向量表

ARM的CPU实现异常都是通过异常向量表来实现的。即每一个异常，都有对应的异常向量表的入口地址，当异常产生后，会自动跳转到异常向量表的入口地址处。

复位，软中断，中断，快速中断，取指令异常、数据异常等，统一称为异常。所以说，中断其实是异常的一种。

异常的定义就是突发事件，打断了CPU的正常常规任务，CPU不得不跳转到异常向量表中去执行异常处理程序；中断是异常的一种，一般特指SOC内的内部外设产生的打断SOC常规业务（串口中断），或者外部中断（SOC的GPIO引脚回来的中断）。

210的异常向量表的起始地址可以通过设置寄存器进行改变（CP15协处理器中设置），以适应操作系统的需求。但是在系统刚上电启动时，210内部的BL0程序在IRAM中设置了异常向量表，供暂时性使用。

通过手册可知，异常向量表的起始地址是0xd003_7400。知道了异常向量表的起始地址，则各个异常的入口地址都知道了。

使用宏定义定义各个异常向量的地址。

分别编写对应异常处理函数，其实就是往异常向量表中写入对应异常处理函数的地址。可见，当异常产生的时候，硬件会从对应异常向量中取出跳转地址值给PC，然后程序跳转，执行对应异常处理函数了。这个和STM32很类似了，和ARM11就不一样了，ARM11在异常向量表，存放的是跳转指令。

下面的代码，就是将异常处理程序函数地址，写入到异常向量表中。

函数名的本质是函数的首地址

函数名在C语言中的理解方法和变量名其实没区别。编译器会把这个函数的函数体对应的代码段和这个函数的函数名（实质是符号）对应起来，等于我们在使用这个函数名符号时，编译器会将函数的函数体实际上做替换，换成函数的首地址。因为函数体都不止4个字节，而函数名这个符号只能对应1个地址，所以实际对应的是函数代码的首地址。

拿C语言中的语法来说，函数名就是这个函数的函数指针。

将异常处理程序的首地址和异常向量表绑定起来后，异常处理初步阶段就完成了。因此在异常产生后，硬件自动跳转到对应异常向量入口区执行，就可以执行事先绑定好的异常处理函数。

中断处理要在汇编中处理

1）中断处理要保护现场（中断从SVC模式来，则保存SVC模式下的必要寄存器的值）和恢复现场（中断处理完成后，准备返回SVC模式前，要将保存的SVC模式下的必要寄存器的值恢复回去，不然回到了SVC模式后寄存器的值就变了，SVC模式下原来正在运行的任务环境就被破坏了）

1. 保护现场包括：第一：设置IRQ栈， 第二：保存LR ， 第三： 保存R0-R12

3） 为什么要保存LR寄存器？中断返回时关键的2个寄存器就是LR和CPSR。所以在进入IRQ模式时，应该将之前模式的下一句指令（中断返回地址，被硬件自动保存在LR寄存器中）和CPSR保存起来，因为异常处理程序，很有可能会修改这两个寄存器的值。因此要事先保存，将来恢复的时候，才可以把中断返回地址给PC，CPSR复原。

1. 中断返回地址保存在LR中，CPSR保存在SPSR中。这些操作都是硬件自动完成的。

5） 使用栈来保存Rx寄存器

中断处理，汇编编写

通过stmfd来保存寄存器，通过ldmfd来恢复寄存器。并返回。

3、协处理器CP15

ARM的协处理器，是比较重要的，特别是这CP15，可以控制很多东西。如MMU，icache，dcache等。

协处理，通过mcr 和mrc指令来进行访问。

mrc用于读取CP15的寄存器

mcr用于写入CP15的寄存器

协处理器

• SOC内部另一处理核心，协助CPU实现某些功能，被主CPU调用执行一定任务

• ARM设计上支持多达16个协处理器，但是一般SOC只实现其中的CP15

协处理器和MMU，CACHE，TLB等处理有关，功能上和操作系统的虚拟地址映射、cache管理等有关。

mcr{<cond>}   p15, <opcode_1>, <Rd>, <Crn>, <Crm>, {<opcode_2>}

opcode_1：对于cp15永远为0

Rd：ARM的普通寄存器

Crn：cp15的寄存器，合法值是c0～c15

Crm：cp15的寄存器，一般均设为c0

opcode_2：一般省略或为0

对于C1寄存器，

要想使用ARM模式下的异常，30位是要置0的。而当这一位为1的时候，在ARM模式下，是进入不了异常模式的，因此就造成中断是不起作用的。

在ARM最新的ARMv8的A64架构，将协处理器取消掉了，直接实现系统寄存器，通过MSR，MRS访问。

4、ARM处理器工作模式

ARM有7个基本工作模式

User： 用户模式，大部分任务执行在这种模式

FIQ： 快速中断模式

IRQ： 中断模式

SUPERVISOR： svc超级模式，复位和软中断的时候会进入这种模式，操作系统工作在这个模式下

Abort： 存取异常，取指令和取数据abort，会进入到这个模式

Undef： 执行未定义指令会进入这种模式

System： 使用和User模式相同寄存器集的特权模式

除USER模式是normal外（这个模式也是linux中用户的模式），其他都是privilege模式。特权模式比user模式，有更高的权限，可以访问更多的寄存器以及执行特殊的指令。

各种模式下权限和可以访问的寄存器，以及可执行的指令不同。

CPU是硬件，OS是软件，软件的设计要依赖硬件的特性，硬件的设计要考虑软件需要，便于实现软件特性。

操作系统有安全级别要求，因此CPU设计多种模式是为了方便操作系统的多种角色安全等级需要。

这些模式在操作系统的时候用处才比较明显。如果只是裸机开发，模式的用处并不大，直接工作在svc模式。