1，可编程器件的编程原理
电子器件的发展方向：
模拟器件->数字器件
ASIC->可编程器件
ASIC，专用芯片、程序已经确定，不可更改，出厂时功能已经确定。
可编程器件的特点：
CPU在固定频率的时钟控制下节奏运行；
CPU可以通过总线读取外部存储设备种的二进制指令集，然后解码执行；
这些可以被CPU解码执行的二进制指令集是CPU设计的时候确定的，是CPU的设计者（ARM）定义的，本质上是一串由1和0组成的数字。这就是CPU的汇编指令集。
程序员用汇编指令编程->经编译器汇编程二进制可执行程序文件->二进制文件被CPU读取进去->CPU内部电路对二进制文件解码->解码通过则CPU执行指令、完成指令动作。
如果程序员用C语言等高级语言编程，则编译器先将C语言程序编译为汇编程序，再进行上面的后续部分。
2，指令集对CPU的意义
汇编语言的本质：
机器指令（机器码）的助记符，是一种机器符号语言；
机器指令集是一款CPU的编程特征，是这款CPU的设计者制定的。CPU的内部电路设计就是为了实现这些指令集的功能。
理解：汇编指令和机器指令是一 一对应的，类似于一个人的名字和他的身份证号，记下一个人的名字比记下身份证号更容易。
不同CPU的机器指令集设计不同，因此汇编程序不能在不同CPU间相互移植。
使用汇编编程可以充分发挥CPU的设计特点，所以汇编编程效率最高，因此在操作系统内核中效率极其重要处都需要用汇编处理。
3，RISC和CISC的区别
CISC：complex instruction set computer
CISC体系的设计理念是用最少的指令完成任务，因此CISC的CPU本身设计复杂、工艺复杂，但好处是编译器好设计。CISC出现较早，至今Intel还一直采用CISC设计。
理解：用最少的指令完成任务，举例：CISC中有乘加指令，对应于C中的 d = a*b+c，有一个这样的指令CPU中就需要对应的电路来完成指令，因此CISC的CPU本身设计复杂、工艺复杂。
CPU中有多少功能的电路，就有多少对应的指令。因为CPU中电路较多，功耗就较高。
RISC：Reduced Instruction-Set Computer 精简指令集CPU；
RISC的设计理念是让软件来完成具体的任务，CPU本身仅提供基本功能指令集。因此RISC CPU指令集中只有很少的指令，这种设计相对于CISC CPU的设计和工艺简单了，但是编译器的设计变难了。
理解：ARM公司之所以使用RISC，是因为当时ARM公司很小，资源有限，无法设计使用CISC的CPU。
CISC指令集复杂，汇编编程相对简单，CPU设计和工艺复杂；RISC指令集简单，汇编编程相对复杂，CPU设计和工艺相对简单。
RISC与CISC指令数对比：一般典型CISC CPU指令在300条左右，ARM CPU常用指令30条左右。
发展趋势：没有纯粹的RISC或CISC，发展方向是RISC和CISC结合，形成一种介于两者之间的CPU类型。
4，统一编址、独立编址
CPU访问各种外设有两种方式：一种是类似于访问内存的方式，即把外设的寄存器当作一个地址来读写，从而以访问内存的相同的方式来操作外设，叫IO与内存统一编址方式；另一种是使用专用的CPU指令来访问某种特定外设，叫IO与内存独立编址。
IO与内存统一编址方式，优势是IO当作内存来访问，编程简单；缺点是IO也需要占用一定的CPU地址空间，而CPU的地址空间是有限资源。
IO与内存独立编址方式，优势是不占用CPU地址空间，缺点是CPU设计复杂。
5，冯诺依曼结构和哈佛结构
程序运行时两大核心元素： 程序和数据；
程序是我们写好的源代码经过编译、汇编之后得到的机器码，这些机器码可以拿给CPU去解码执行，CPU不会也不应该去修改程序，所以程序是只读的；
数据是程序运行过程中定义和产生的变量的值，是可以读写的，程序运行实际就是为了改变数据的值。
冯诺依曼结构：程序和数据都放在内存中，且不彼此分离的结构，例如Intel的CPU；
哈佛结构：程序和数据分开独立放在不同的内存块中，彼此完全分离的结构，例如大部分的单片机。
优劣势对比：冯诺依曼结构中程序和数据不区分的放在一起，因此安全和稳定性是个问题，好处是处理起来简单；哈佛结构中程序（一般存放在ROM/Flash中）和数据（一版存放在Ram中）独立分开存放，因此好处是安全和稳定性高，缺点是软件处理复杂一些（需要统一规划链接地址等）。
6，寄存器
软件编程控制硬件的关键。
寄存器是CPU外设的硬件组成部分，CPU可以像访问内存一样访问寄存器，寄存器是CPU的硬件设计者制定的，目的是留作外设被编程控制的“活动开关”，寄存器是外设硬件的软件编程接口API，使用软件编程控制某一硬件，其实就是编程读写该硬件的寄存器。
SoC有两类寄存器：通用寄存器和SFR；
通用寄存器（ARM中有37个）是CPU的组成部分，CPU的很多活动都需要通用寄存器的支持和参与；
SFR(Special Function Register，特殊功能寄存器) 不在CPU中，而存在于CPU的外设中，我们通过访问外设的SFR来编程操控这个外设，这就是硬件编程控制方法。
理解：寄存器是硬件，虽然看不到摸不着，但是实际存在的东西。
7，7-11章节暂未看
学习完完善。
12，ARM的编程模式和7种工作模式
ARM采用的是32位架构；
ARM约定：
Byte： 8bits
Halfword: 16bits (2 byte)
Word: 32 bits (4 byte)
大部分ARM core提供：ARM指令集（32 bit） /Thumb指令集（16 bit）/Thumb2指令集（16 bit/32 bit）;
理解：Thumb2指令集是ARM指令集和Thumb指令集的综合，16bit和32bit指令各有优势；
ARM处理器工作模式，ARM有7个基本工作模式：
User:非特权模式，大部分任务执行在这种模式；
FIQ: 当一个高优先级（fast）中断产生时将会进入这种模式；
IRQ: 当一个低优先级（normal）中断产生时将会进入这种模式；
Supervisor: 当复位或软中断指令执行时将会进入这种模式；
Abort：当存取异常时将会进入这种模式；
Undef: 当执行未定义指令时会进入这种模式；
System: 使用和User模式相同寄存器集的特权模式；
除User是普通模式外，其他6种都是特权模式，特权模式种除System模式外，其余5种为异常模式，各种模式的切换，可以程序员通过代码主动切换（通过写CPSR寄存器），也可以是CPU在某些情况下自动切换，各种模式下权限和可以访问的寄存器不同。
操作系统有安全级别要求，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。
13，ARM的37个寄存器
ARM总共有37个寄存器，但是每种工作模式下最多只能看到18个寄存器，其他寄存器虽然名字相同但是在当前模式不可见。
对r14来说，在ARM种共有6个叫r14的寄存器，但是在每种特定处理器模式下，只有一个r14是当前可见的，其他的r14必须切换到对应模式下才能看到，这种设计叫影子寄存器（banked register）。
上图种黑色表示不同模式下相同的寄存器，非黑色寄存器是对应模式特有的。
ARM的37个寄存器，都是32位长度，37个寄存器中30个为“通用”型，一个固定用作PC，一个固定用作CPSR，5个固定用作5种异常模式下的SPSR。
理解：上边“通用”的意思是指sp和lr除r13和r14外，也可用其他寄存器，而PC/CPSR/SPSR只能使用指定的寄存器。
CPSR中的I、F位和开中断、关中断有关；
CPSR的mode位（bit4~bit0共5位） 决定了CPU的工作模式，在uboot代码中会使用汇编进行设置。
PC(Program control register)为程序指针，PC指向哪里，CPU就会执行哪条指令（所以程序跳转时就是把目标地址代码放到PC中）。
14，ARM的异常处理方式
异常的概念：
正常工作之外的流程都叫异常，异常会打断正在执行的工作，并且一版我们希望异常处理完成后继续回来执行原来的工作，中断是异常的一种；
异常向量表：
所有的CPU都有异常向量表，这是CPU设计时就设定好的，是硬件决定的；当异常发生时，CPU会自动动作（PC跳转到异常向量处处理异常，有时伴有一些辅助动作）；异常向量表是硬件向软件提供的处理异常的支持。
当异常产生时，ARM core的处理流程：
->拷贝CPSR到SPSR_<mode>；
->设置适当的CPSR位：
改变处理器状态进入ARM态（有可能原来是Thumb态）；
改变处理器模式进入相应的异常模式；
设置中断禁止位禁止相应中断（如果需要）；
->保存返回地址到LR_<mode>;
->设置PC为相应的异常向量；
异常处理完毕返回时，流程如下：
->从SPSR_<mode>恢复CPSR；
->从LR_<mode>恢复PC；
注意：以上这些操作只能在ARM态执行。
异常处理中有一些是硬件自动做的，有一些是程序员需要自己做的。需要搞清楚哪些是需要自己做的，才知道如何写代码；CPU设计时提供的异常向量表，一般称为一级向量表。有些CPU为了支持多个中断，还会提供二级中断向量表，处理思路类似于这里说的一级中断向量表。
理解：一级向量表和二级向量表非标准称谓，例如进入IRQ异常向量后还要跳转到具体的中断，就需要二级向量表。
15，ARM汇编指令集
15.1，指令和伪指令
指令和伪指令：
（汇编）指令是CPU机器指令的助记符，经过编译后会得到一串1和0组成的机器码，可以由CPU读取执行；
（汇编）伪指令本质上不是指令（只是和指令一起写在代码中），它是编译器环境提供的，目的是用来指导编译过程，经过编译后伪指令最终不会生成机器码；
两种不同风格的ARM指令：
ARM官方的ARM汇编风格：指令一般用大写、Windows中IDE开发环境（如ADS、MDK）常用。如：LDR R0, [R1]；
GNU风格的ARM汇编：指令一版用大小写字母、Linux中常用。如：ldr r0, [r1]；
15.2，ARM汇编特点
特点1，LDR/STR架构：
ARM采用RISC架构，CPU本身不能直接读取内存，而需要先将内存中内容载入CPU中通用寄存器才能被CPU处理；
ldr（load register）指令将内存内容加载入通用寄存器；
str(store register ) 指令将寄存器内容存入内存空间中；
ldr/str组合用来实现ARM CPU和内存数据交换；
特点2，八种寻址方式：
寄存器寻址：mov r1,r2 （将r2寄存器中的内容放到寄存器r2中）
立即寻址：mov r0, #0xFF00 （将立即数0xFF00放到寄存器r0中，数字前加#）
寄存器移位寻址：mov r0, r1,lsl #3 （将r1中的值左移3位后放到r0中）
寄存器间接寻址： ldr r1,[r2] （将地址为r2的内存单元数据读取到r1中）
基址变址寻址：ldr r1 [r2,#4] （将地址为r2+4的内存单元数据读取到r1中）
多寄存器寻址：ldmia r1!, {r2-r7,r12} （将地址为r2-r7,r12的内存单元数据读取到r1中）
堆栈寻址：stmfd sp!, {r2-r7,lr} （嵌入式STMFD SP！，{R0-R7，LR}分析）
相对寻址：beq flag 跳转指令
特点3：指令后缀
同一指令经常附带不同后缀，变成不同的指令。经常使用的后缀有：
B（byte）功能不变，操作长度变为8位；
H（half word）功能不变，操作长度变为16位；
S（signed）功能不变，操作数变为有符号；
如：ldr/ldrb/ldrh/ldrsb/ldrsh
S（S标志）功能不变，影响CPSR标志位，如mov/movs
注意：上边的两个后缀S是不一样的，对于下边的S，movs r0,#0(将0放入r0中)，mov后不加s，则CPSR中的Z位不置1，movs指令会使Z位置1。
特点4：条件执行后缀
特点5，多级指令流水线
15.3，常用ARM指令
数据传输指令：mov mvn
算术指令：add sub rsb adc sbc rsc
逻辑指令：and orr eor bic
比较指令：cmp cmn tst teq
乘法指令：mvl mla umull umlal smull smlal
前导零计数：clz
CPSR访问指令：mrs和msr
mrs用来读psr，msr用来写；
CPSR寄存器比较特殊，需要专门的指令访问，这就是mrs和msr；
注意：对于上文psr的解释看下图
跳转（分支）指令：b bl bx
b：直接跳转（没打算返回）；
bl：branch and link，跳转前把返回地址放入lr中，以便返回，常用于函数调用；
bx：跳转同时切换到ARM模式，一版用于异常处理的跳转。
访存指令：ldr/str & ldm/stm & swp
单个字/半字/字节访问 ldr/str；
多字批量访问 ldm/stm；
swp r1, r2, [r0] ( 将R0 指向的存储单元内容读取数据到R1 中; 并将R2 的内容写入到该内存单元中) ;
swp r1,r1,[r0] (取出r0地址中的数据，放在r1中，并把r1中的数据放在r0中);
ARM汇编中的立即数：
合法立即数与非法立即数。
ARM指令都是32位，除了指令标记和操作标记外，本身只能附带很少数位数的立即数，因此立即数有合法和非法之分。合法立即数：经过任意位数的移位后非零部分可以用8位表示的即为合法立即数。
软中断指令：swi(software interrupt)
软中断指令用来实现操作系统中系统调用。
15.4，协处理器指令
协处理器cp15操作指令：mrc & mcr
mrc用于读取CP15中的寄存器；
mcr用于写入CP15中的寄存器；
什么是协处理器？
SoC内部另一处理核心，协助主CPU实现某些功能，被主CPU调用执行一定任务；ARM设计支持多达16个协处理器，但是一版SoC只实现其中的CP15（cp：coprocessor）。
15.5，为什么要多寄存器访问
ldr/str每周期只能访问4字节内存，如果需要批量读取、写入内存时太慢，解决方案是stm/ldm；
ldm(load register mutiple)
stm(store register multiple)
stmia sp,{r0 - r12}
将r0存入sp指向的内存处（假设为0x30001000）；然后地址+4（指向0x30001004），将r1存入该地址；然后地址再+4（指向0x30001008），将r2存入该地址... ...，直到r12内容放入（0x30000130），指令完成。
一个访存周期同时完成13个寄存器的读写。
8种后缀：
ia（increase after）先传输，再地址+4；
ib（increase before）先地址+4，再传输；
da（decrease after）先传输，再地址-4；
db（decrease before）先地址-4，再传输；
fd（full decrease）满递减堆栈；
ed（empty decrease）空递减堆栈；
fa（full ......）满递增堆栈；
ea（empty ......）空递增堆栈；
理解：ia ib da db与fd ed fa ea是对应的，在编程时使用一种后缀方式就会避免出错，ARM中一版使用满减栈。
四种栈：
空栈：栈指针指向空位，每次存入时可以直接存入然后栈指针移动一格；而取出时需要先移动一格才能取出；
满栈：栈指针指向栈中最后一格数据，每次存入时需要先移动栈指针一格再存入；
增栈：栈指针移动时向地址增加的方向移动的栈；
减栈：栈指针移动时向地址减小的方向移动的栈；
！的作用：
ldmia r0, {r2 - r3}
ldmia r0!, {r2 - r3}
感叹号的作用是r0的值在ldm过程中发生的增加或减少最后写回到r0中，也就是ldm时会改变r0的值。
^的作用：
ldmfd sp!, {r0 - r6, pc}
ldmfd sp!, {r0 - r6, pc} ^
^的作用，在目标寄存器中有pc时，会同时将spsr写入到cpsr，一般用于从异常模式返回。
15.6，伪指令