开源鸿蒙内核源码分析系列 | ARM架构 | ARMv7 & Cortex(A|R|M)

开源鸿蒙内核源码分析系列 | ARM架构 | ARMv7 & Cortex(A|R|M)

ARM模式

ARM公司本身并不靠自有的设计来制造或出售CPU，而是将处理器架构授权给有兴趣的厂家。提供了ARM内核的集成硬件叙述，包含完整的软件开发工具（编译器、debugger、SDK），以及针对内含ARM CPU硅芯片的销售权。

许多半导体公司持有ARM授权：Atmel、Broadcom、Cirrus Logic、Freescale（于2004从摩托罗拉公司独立出来）、富士通、英特尔（借由和Digital的控诉调停）、IBM、NVIDIA、台湾新唐科技（Nuvoton Technology）、英飞凌、任天堂、恩智浦半导体（于2006年从飞利浦独立出来）、冲电气、三星电子、苹果、夏普、意法半导体、德州仪器和VLSI等许多这些公司均拥有各个不同形式的ARM授权。虽然ARM的授权项目由保密合约所涵盖，在知识产权工业，ARM是广为人知最昂贵的CPU内核之一。单一的客户产品包含一个基本的ARM内核可能就需索取一次高达美金20万的授权费用。而若是牵涉到大量架构上修改，则费用就可能超过千万美元。

处理器时间轴 | Cortex | 2006

从图中可以看出 ARM有 经典(Classic) 和 Cortex 两个核心系列，太老的历史就不去翻了，Cortex就是ARM公司一个系列处理器的名称。比如英特尔旗下处理器有酷睿，奔腾，赛扬。ARM在最初的处理器型号都用数字命名，最后一个是ARM11系列，在ARM11以后的产品改用Cortex命名，时间分割线是 2006年前后，并分成A、R和M三类，有意思的是这三个系列也暗合了ARM这个名字，为各种不同的市场提供服务。

  • 应用类 (Application) : 简称 Cortex-A 系列，面向尖端的基于虚拟内存的操作系统和用户应用。
  • 嵌入式类 (Real-time) : 简称 Cortex-R 系列，针对实时系统。
  • 微处理器类 (Micro-controller) : 简称 Cortex-M 系列，对微控制器和低成本应用提供优化。

鸿蒙内核分成 轻量型(基于LiteOS_M) 和 小型(基于LiteOS_A) 说的就是分别基于 Cortex-A/R 和 Cortex-M的内核实现。

指令集时间轴 | RISC | ARMv7

看完处理器时间轴，再看ARM指令集架构历史，很多人分不清指令集和处理器的区别，处理器就是一堆数字电路（架构）以高低电平的各种组合实现了各种基本的运算（指令）。要想设计出处理器，就需要有指令集，也就是规定处理器的相应操作，通过指令集去控制处理器实现相应功能。但处理器是一堆硬件电路，只能识别二进制数据，所以指令集是由一堆二进制数据组成。处理器通过指令集是给用户提供的一个接口。指令集架构ISA（Instructuon Set ArchitectureI）和处理器架构（Micro architecture）是上下级的关系。

arm指令集是arm处理器使用的指令编码方式，指令集的命名方式为 armv+version number，目前是 armv1～armv8，数字越大表示指令集越先进，对于不同的处理器，arm 公司设计的处理器采用了不同的指令集。

精简指令集计算机RISC（Reduced Instruction Set Computer ）或简译为 精简指令集，是计算机中央处理器的一种设计模式。特点是指令数目少，每条指令都采用标准字长、执行时间短。RISC 处理器每条指令执行一个动作，只需一个周期即可完成，优化了操作执行时间。使用固定长度的指令，所以流水线更容易。并且由于它缺乏复杂的指令解码逻辑，它支持更多的寄存器并且花费更少的时间将值加载和存储到内存中。总结下来这样的好处是非常的省电，对于手持设备来说这是巨大的优势，不用抖音没滑几下就要到处找充电宝，所以这也是在移动互联网时代ARM芯片大行其道的最底层原因，通常被认为是当今可用的最高效的 CPU 架构技术。目前使用RISC的微处理器包括 DEC Alpha、ARC、ARM、AVR、MIPS、PA-RISC、Power ISA（包括PowerPC、PowerXCell）、RISC-V和SPARC等。

与之对应的是复杂指令集计算机CISC（Complex Instruction Set Computer）或简译为 复杂指令集，是一种微处理器指令集架构，每个指令可执行若干低端操作，诸如从存储器读取、存储、和计算操作，全部集于单一指令之中。特点是指令数目多而复杂，每条指令字长并不相等，电脑必须加以判读，并为此付出了性能的代价。

指令集是标准，基于标准可以设计无数的处理器型号。这并不难理解，跟我们手机充电线一样TYPE-C是目前大部分安卓手机的标准，但设计充电线的公司可以有很多，ARM就是设计充电线的公司。 指令集：处理器 = 1：N (1对多) 关系，指令集向下兼容，指令集的设计原则是 开闭原则，对扩展是开放的，但是对于修改是封闭的。但注意 RISC 是一套标准，可不是ARM公司的私有财产。ARM公司在使用这个标准的时候为了方便和效率肯定会在内部对其命名。如下表所示：

指令集架构处理器家族
ARMv1ARM1
ARMv2ARM2、ARM3
ARMv3ARM6、ARM7
ARMv4StrongARM、ARM7TDMI、ARM9TDMI
ARMv5ARM7EJ、ARM9E、ARM10E、XScale
ARMv6ARM11、ARM Cortex-M
ARMv7ARM Cortex-A、ARM Cortex-M、ARM Cortex-R
ARMv8Cortex-A35、Cortex-A50系列[18]、Cortex-A70系列、Cortex-X1
ARMv9Cortex-A510、Cortex-A710、Cortex-X2

表中不难发现 ARMv7 是个转折点，Cortex 三个应用场景产品正是基于它横空出世，鸿蒙内核源码分析系列篇的 ARM文档基础 《ARM体系架构参考手册》背景为 ARMv7 ，其提供了关于ARM处理器架构和指令集，区分接口，所有的ARM处理器的支持（如指令语义）的实现细节等等。关于指令集的介绍我们下篇《指令集 | CICS PK RICS》再讲。

ARM 架构详细历史：

八种CPU模式

CPU ARM架构指定了以下的CPU模式。在任何时刻，CPU只可处于某一种模式，但可由于外部事件（中断）或编程方式进行模式切换。后续在 《工作模式 | 角色不同 责任不同》 我们会结合代码详细说明。

  • 用户模式 ：仅非特权模式。
  • 系统模式 ：仅无需例外进入的特权模式。仅以执行明确写入CPSR的模式位的指令进入。
  • Supervisor (svc) 模式 ：在CPU被重置或者SWI指令被执行时进入的特权模式。
  • Abort 模式 ：预读取中断或数据中断异常发生时进入的特权模式。
  • 未定义模式 ：未定义指令异常发生时进入的特权模式。
  • 中断模式 ：处理器接受一条IRQ中断时进入的特权模式。
  • 快中断模式： 处理器接受一条IRQ中断时进入的特权模式。
  • Hyp 模式： armv-7a为cortex-A15处理器提供硬件虚拟化引进的管理模式。

寄存器

图表解读：

  • 寄存器 R0-R7 对于所有CPU模式都是相同的，它们不会被分块。
  • R8-R12， R8_fiq-R12_fiq，其实是不同的寄存器，前缀一样是为了管理和识别方便，在实际代码中当切到快中断模式后，使用 R8 其实在CPU内部用的是 R8_fiq寄存器，此处暂且记下，具体在 (中断切换篇) 中结合源码详细说明。
  • 对于所有的特权CPU模式，除了系统CPU模式(与用户模式共用)之外，R13和R14都是分块的。也就是说，每个因为一个异常（exception）而进入的模式，有其自己的R13和R14。这些寄存器通常分别包含堆栈指针和函数调用的返回地址。
    • R13 也被指为 SP（Stack Pointer）
    • R14 也被指为 LR（Link Register）
    • R15 也被指为 PC（Program Counter） 由此也能推出这些特权模式有自己独立的运行栈。具体在《寄存器 | 世界被它们玩出了花》结合源码详细说明。

百文说内核 | 抓住主脉络

子曰：“诗三百，一言以蔽之，曰‘思无邪’。”——《论语》：为政篇。百文相当于摸出内核的肌肉和器官系统，让人开始丰满有立体感，因是直接从注释源码起步，在开源鸿蒙内核源码加注释过程中，每每有心得处就整理，慢慢形成了以下文章。内容立足源码，常以生活场景打比方尽可能多的将内核知识点置入某种场景，具有画面感，容易理解记忆。说别人能听得懂的话很重要! 百篇博客绝不是百度教条式的在说一堆诘屈聱牙的概念，那没什么意思。更希望让内核变得栩栩如生，倍感亲切.确实有难度，自不量力，但已经出发，回头已是不可能的了。
百万汉字注解内核目的是要看清楚其毛细血管，细胞结构，等于在拿放大镜看内核。内核并不神秘，带着问题去源码中找答案是很容易上瘾的，你会发现很多文章对一些问题的解读是错误的，或者说不深刻难以自圆其说，你会慢慢形成自己新的解读，而新的解读又会碰到新的问题，如此层层递进，滚滚向前，拿着放大镜根本不愿意放手。与代码有bug需不断debug一样，文章和注解内容会存在不少错漏之处，请多包涵，但会反复修正，持续更新，v**.xx 代表文章序号和修改的次数，精雕细琢，言简意赅，力求打造精品内容。百篇博客系列思维导图结构如下：

根据上图的思维导图，我们未来将要和大家一一分享以上大部分关键技术点的博客文章。

百万汉字注解.精读内核源码

如果大家觉得看文章不过瘾，想直接撸代码的话，可以去下面四大码仓围观同步注释内核源码：

gitee仓：

https://gitee.com/weharmony/kernel_liteos_a_note

github仓 ：

https://github.com/kuangyufei/kernel_liteos_a_note

codechina仓：

https://codechina.csdn.net/kuangyufei/kernel_liteos_a_note

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https://weharmony.coding.net/public/harmony/kernel_liteos_a_note/git/files

写在最后

我们最近正带着大家玩嗨OpenHarmony。如果你有用OpenHarmony开发的好玩的东东，或者有对OpenHarmony的深度技术剖析，想通过我们平台让更多的小伙伴知道和分享的，欢迎投稿，让我们一起嗨起来！有点子，有想法，有Demo，立刻联系我们：

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