ARM存儲系統概述

ARM存儲系統的體系架構適應不同的嵌入式應用系統的需要差別很大。最簡單的存儲系統使用平辦事的位址映射機製,就像一些簡單的彈片機系統中一樣,位址空間的分發模式是固定的,系統各部分都使用物理位址。而一些複雜系統可能包括下面的一種或幾種技術,從而提供更為強大的存儲系統。

**系統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。
**透過使用CACHE及WRITE BUFFER技術縮小處理器和存儲系統速度差別,從而提升系統的整體性能。
**內存管理部件透過內存映射技術實現虛擬空間到物理空間的映射。在系統加電時,將ROM/FLASH影射為位址0,這樣可以進行一些初始化處理;當這些初始化完成後將RAM位址影射為0,並把系統程式加載到RAM中營運,這樣很好地解決了嵌入式系統的需要。
**引入存儲保護機製,增強系統的安全性。
**引入一些機製保證I/O操作應設成內存操作後,各種I/O操作能夠得到正確的結果。

**與存儲系統相關的程式設計指南**
本節從外部來看ARM存儲系統,及ARM存儲系統提供的對外界面。本節介紹用戶透過這些界面來訪問ARM存儲系統時需要遵守的規則。

1.位址空間
ARM體系使用單一的和平板位址空間。該位址空間大小為2^32個8位位元組,這些位元組的單元位址是一個無符號的32位數值,其取值範圍為0~2^32-1。ARM位址空間也可以看作是2^30個32位的字單元。這些字單元的位址可以被4整除,也就是說該位址低兩位為0b00。位址為A的字數據包括位址為A、A+1、A+3、A+3 4個位元組單元的內容。
各存儲單元的位址作為32為無符號數,可以進行常規的整數運算。這些運算的結果進行2^32取模。
程式正常執行時,每執行一條ARM指令,當前指令計數器加4個位元組;每執行一條Thumb指令,當前指令計數器加2個位元組。但是,當位址上發生溢出時,執行結果將是不可預知的。
2.存儲器格式
在ARM中,如果位址A是字對齊的,有下面幾種︰
**位址為A的字單元包括位元組單元A,A+1,A+2,A+3。
**位址為A的班子單元包括位元組單元A,A+1。
**位址為A+2的半字單元包括位元組單元A+2,A=3.
**位址為A的字單元包括半位元組單元A,A+2。
在big-endian格式中,對於位址為a的字單元其中位元組單元由高位到低位位元組順序為A,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 |
--------------------------------------------------------------------
位元組單元A | 位元組單元A+1 | 位元組單元A+2 | 位元組單元A+3|
--------------------------------------------------------------------

在little-endian格式中,對於位址為A的字單元由高位到低位位元組順序為A+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 |
--------------------------------------------------------------------
位元組單元A+3 |位元組單元A+2 | 位元組單元A+1 | 位元組單元A |
--------------------------------------------------------------------

在ARM系統中沒有提供指令來選擇存儲器格式。如果系統中包含標準的ARM控制協處理器CP15,則CP15的暫存器C1的位[7]決定系統中存儲器的格式。當系統複位時,暫存器C1的[7]值為零,這時系統中存儲器格式為little-endian格式。如果系統中採用的是big-endian格式,則複位異常中斷處理程式中必須設定c1暫存器的[7]位。

3.非對齊的存儲訪問操作
非對齊︰位於arm狀態期間,低二位不為0b00;位於Thumb狀態期間,最低位不為0b0。
3.1非對齊的指令預取操作
如果系統中指定當發生非對齊的指令預取操作時,忽略位址中相應的位,則由存儲系統實現這種忽略。
3.2非對齊的數據訪問操作
對於LOAD/STORE操作,系統定義了下面3中可能的結果︰
***執行結果不可預知
***忽略字單元位址低兩位的值,即訪問位址為字單元;忽略半字單元最低位的值,即訪問位址為半字單元。
***由存儲系統忽略字單元位址中低兩位的值,半字單元位址最低位的值。

4.指令預取和自修改代碼
當用戶讀取PC計數器的值時,返回的是當前指令下面的第二條指令的位址。對於ARM指令來說,返回當前指令位址值加8個位元組;對於Thumb指令來說,返回值為當前指令位址值加4個位元組。
自修改代碼指的是代碼在執行過程中修改自身。應盡量避免使用。
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空間設定成非緩沖的。

ARM編譯器支援的數據類型

數據類型 長度(位) 對齊特性
Char 8 1(位元組對齊)
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.整數類型
在ARM體系中,整數類型是以2的補碼形式存儲的。對於long long類型來說,在little endian內存模式下,其低32位儲存在低位址的字單元中,高32為儲存在高位址的字單元中;在big endian模式下,其低32位儲存在高位址的字單元中,高32為儲存在低位址的字單元中。對於整型數據的操作遵守下面的規則︰
**所有帶符號的整型書的運算是按照二進製的補碼進行的。
**帶符號的整型數的運算不進行符號的擴展。
**帶符號的整型數的右移操作是算數移位。
**製定的移位位數的數是8位的無符號數。
**進行移位操作的數被作為32位數。
**超過31位的邏輯左移的結果為0。
**對於無符號數和有符號的正數來說,超過32位的右移操作結果為0;對於有符號的負數來說,超過32位的右移操作結果為-1。
**整數除法運算的餘數和除數有相同的符號。
**當把一個整數截斷成位數更短的整數類型的數時,並不能保證所得到的結果的最高位的符號位的正確性。
**整型數據之間的類型轉換不會產生異常中斷。
**整型數據的溢出不會產生異常中斷。
**整型數據除以0將會產生異常中斷。
2.浮點數
在ARM體系中,浮點數是按照IEEE標準存儲的。
**float類型的數是按照IEEE的單精度數表示的。
**double和long double 是用IEEE的雙精度數表示的。
對於浮點數的操作遵守下面的規則︰
**遵守正常的IEEE754規則。
**當預設情況下禁止浮點數運算異常中斷。
**當發生捲繞時,用最接近的數據來表示。
3.指標類型的數據
下面的規則適用於處數據成員指標以外的其他指標︰
**NULL被定義為0。
**相鄰的兩個存儲單元位址相差一。
**在指向函數的指標和指向數據的指標進行數據轉換時,編譯器將會產生警告訊息。
**類型size_t被定義為unsigned int.
**類型ptrdiff_t被定義為signed int。
**兩個指標類型的數據相減時,結果可以按照下面的公式得到。
((int)a-(int)b)/(int)sizeof(type pointed to)
這時,只要指標所指的對象不是pack的,其對齊特性能夠滿足整除的要求。
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