ARM①——模式&环境调试
ARM①——模式&环境调试
一、架构
ARM架构
1、A
该架构的芯片，性能高
2、R
该架构的芯片，满足实时性要求的场景
3、M
该架构的芯片，规模较小，主要用于控制操作等
X86架构
AMD、英特尔等PC用的芯片采用X86架构
CPU/SOC
soc是cpu加上其他各种集成模块组合到一起。
对比维度 CPU (Central Processing Unit) 中央处理器 SoC (System on a Chip) 系统级芯片 本质定位 专注于 “数据运算与指令执行” 的单一核心部件 集成 “完整功能系统” 的超大规模芯片 核心功能 仅负责逻辑运算、数据处理、指令调度（如算术计算、程序控制） 覆盖 “计算 + 存储 + 外设 + 通信” 全流程，可独立完成系统任务 集成范围 仅包含运算器（ALU）、控制器、寄存器等核心模块（部分现代 CPU 会集成缓存，但无其他外设） 必含 CPU，同时集成 GPU、内存（RAM）、存储（ROM/Flash）、蓝牙 / WiFi 芯片、USB 控制器、传感器接口等 独立性 无法单独工作，需依赖外部芯片（如北桥 / 南桥、显卡、内存）才能构成完整系统 可独立工作，外接电源和简单外设（如屏幕、按键）即可实现设备功能
二、嵌入式
软件
应用层：
C++、Qt、进线程IO、网络编程等
中间件：
linux、C
底层：
stm32 + FreeRTOS
ARM-A + linux（系统移植、驱动、性能优化等）
硬件
电路板设计、PCB、EDA等
CPU：运算器、控制器、寄存器
存储：三级存储，高速缓存(cache)
输入：鼠标、键盘等
输出：显示器等
总线：数据传输的通道
- 单总线 哈佛结构
- 多总线 冯诺依曼结构
效率
- 多总线
- 集成度
- 三级流水线
三、ARM指令
ARM指令集 32位
Thumb指令集 16位
工作模式
模式名称 英文缩写 核心用途 主要特点 用户模式 User 普通应用程序运行的模式，是权限最低的模式 无 SPSR 寄存器；不能直接切换到其他模式（需通过异常触发）；多数应用程序在此模式执行 系统模式 System 操作系统内核运行的特权模式，用于执行系统级任务 与用户模式共享相同的寄存器集；有 SPSR（但通常不用，因不通过异常进入）；拥有最高权限 超级用户模式 SVC（Supervisor） 处理软件中断（如系统调用 SWI指令）和上电复位后的初始模式异常模式之一，有专属 SPSR（SPSR_SVC）；用于操作系统内核处理服务请求 中断请求模式(低优先级) IRQ 处理普通中断（如外设中断：键盘、定时器、UART 等） 异常模式之一，有专属 SPSR（SPSR_IRQ）；进入时自动屏蔽新的 IRQ 中断（I 位 = 1） 快速中断请求模式(高优先级) FIQ 处理需要快速响应的高优先级中断（如高速数据传输：DMA、图像传感器） 异常模式之一，有专属 SPSR（SPSR_FIQ）；寄存器更多（8 个私有寄存器），响应速度更快；进入时屏蔽 IRQ 和 FIQ 中断（I=1，F=1） 中止模式 ABT(Abort) 处理内存访问异常（如数据访问中止、指令预取中止：非法地址、权限错误） 异常模式之一，有专属 SPSR（SPSR_ABT）；用于操作系统处理内存错误（如段错误） 未定义指令模式 UND(Undef) 处理未定义的指令（如执行处理器不支持的指令） 异常模式之一，有专属 SPSR（SPSR_UND）；用于软件模拟未实现的指令（如协处理器指令） Monitor 模式 Monitor 1. 处理安全监控调用（SMC 指令），实现安全世界与非安全世界的切换2. 管理两个世界的资源隔离（如内存、外设的安全权限）3. 执行安全相关的监控任务（如安全异常处理） 1. 仅存在于支持 TrustZone 的处理器（如 Cortex-A9）中2. 拥有独立的 SPSR（SPSR_mon），用于保存切换前的状态3. 只能通过特定方式进入：- 非安全世界执行 SMC（Secure Monitor Call）指令- 安全世界或非安全世界发生的安全相关异常4. 权限高于普通模式，是连接两个世界的 “安全网关”
- 除USER、SYSTEM模式外，其他模式都算异常模式
- System模式使用user模式寄存器集
- CPSR——所有模式下共用的唯一程序状态寄存器，保存切换状态前的状态
- SPSR——异常状态下的状态备份寄存器，USER和SYSTEM下没有该寄存器
- R13 SP 栈顶寄存器，存栈顶地址
- R14 LR 保存跳转地址
- R15 PC 保存当前指令的地址的寄存器(程序计数寄存器)
- R0-R12 通用寄存器
- cortex A 一共有40个寄存器，其余的37个寄存器
汇编指令
- 了解计算机的运行规律
- 逆向工程(反向编译，二进制==>汇编)
环境配置
交叉编译环境 arm-linux-gcc
ARM 与开发主机（如 x86）的指令集不兼容，必须借助交叉编译工具链（如
arm-linux-gcc），才能在性能更强的开发主机上，生成符合 ARM 指令集、能在 ARM 设备运行的代码；初步调试
【环境搭建 - 安装 arm-linux-gcc 和虚拟开发板】
1、解压 gcc-4.6.4.tar.xz 到 主目录（家目录：/home/hqyj/ 根据自己Ubuntu命名） tar -xvf gcc-4.6.4.tar.xz
2、确认解压完成，可以进入~/gcc-4.6.4/bin 下面看到 arm-linux-gcc 命令cd ~/gcc-4.6.4/bin pwd 获取绝对路径 /home/hqyj/gcc-4.6.4/bin
3、修改配置文件~/.bashrc，添加环境变量
(1).vi ~/.bashrc ,在最后一行添加 路径消息
export PATH=$PATH:/home/hqyj/gcc-4.6.4/bin
(2).保存退出后:wq，执行 source ~/.bashrc
(3).关闭所有终端
4、安装虚拟开发板 qemu-system-arm：
sudo apt-get install qemu-system在 ~/.bashrc 最后一行添加： export LC_ALL=C
5、调试
arm-linux-gcc tset.S -o test.o -c -g arm-linxu-ld test.o -o test.elf -Ttext=0x00000000 qemu-system-arm -machine xilinx-zynq-a9 -m 256M -serial stdio -kernel test.elf -S -s【 调试端 - 看执行结果】{
再开一个终端，在另外一个终端 执行下面命令：
arm-none-linux-gnueabi-gdb elf文件路径
进入GDB后，执行
(gdb) target remote 127.0.0.1:1234
(gdb) s
l 查看代码
b 设置断点
s 单步调试
c 继续运行
p 查看变量值 p #r0 p/x val 十六进制
x 查看地址的值 x/4 0x10 从0x10开始连续4个字节
CSPR
1. CPSR 寄存器的位域布局
将 32 位寄存器按功能划分为多个位段，从高位（31 位）到低位（0 位）依次包括：
- 条件标志位（
N、Z、C、V）；Q、J、DNM（Do Not Modify，禁止修改）、GE[3:0]、IT[7:2]；- 控制位（
E、A、I、F、T）；- 模式位
M[4:0]。2. 各主要位域的功能说明
- 条件位（
N、Z、C、V）：由 ALU（算术逻辑单元）运算结果自动设置，用于 “条件指令执行”（如BEQ、BNE）的判断：
N（Negative）：运算结果为负数时置 1；Z（Zero）：运算结果为 0 时置 1；C（Carry/Borrow）：加法有进位或减法有借位时置 1；V（Overflow）：运算发生有符号溢出时置 1。- 特殊功能位：
Q位：仅 ARM v5TE-J 架构支持，指示 “饱和运算” 状态；J位：仅 ARM v5TE-J 架构支持，用于标识 “Jazelle 状态”（Java 字节码执行模式）；GE[3:0]：执行 SIMD 指令时有效，表示 “大于或等于” 的比较结果；IT[7:2]：Thumb-2 指令集的 “IF…THEN” 条件执行状态位。- 控制位：
E：大小端（字节序）控制位；A：禁止 “不精确数据异常”（A=1时禁止）；I/F：中断禁止位（I=1禁止 IRQ 普通中断，F=1禁止 FIQ 快速中断）；T：指令集状态位（T=0为 ARM 状态，执行 32 位 ARM 指令；T=1为 Thumb/ThumbEE 状态，执行 16/32 位缩略指令）。- 模式位
M[4:0]：定义处理器运行模式（如10000为用户模式、10001为 FIQ 模式、10011为 SVC 模式等），不同模式对应不同的权限和寄存器可见性。3. CPSR/SPSR 的操作指令
MRS指令：将 CPSR（或 SPSR）的值读取到通用寄存器，例：mrs r0, CPSR（把 CPSR 的值读入r0）。MSR指令：将通用寄存器的值写入 CPSR（或 SPSR），例：msr CPSR, r0（把r0的值写入 CPSR）。
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