ARM基礎知識教程四：ARM存儲系統概述

ARM存儲系統的體系結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地址映射機制，就像一些簡單的彈片機系統中一樣，地址空間的分配方式是固定的，系統各部分都使用物理地址。而一些復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。
通過使用CACHE及WRITE BUFFER技術縮小處理器和存儲系統速度差別，從而提高系統的整體性能。
內存管理部件通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影射為地址0，這樣可以進行一些初始化處理；當這些初始化完成后將RAM地址影射為0，并把系統程序加載到RAM中運行，這樣很好地解決了嵌入式系統的需要。
引入存儲保護機制，增強系統的安全性。
引入一些機制保證I/O操作應設成內存操作后，各種I/O操作能夠得到正確的結果。
與存儲系統相關的程序設計指南
本節從外部來看ARM存儲系統，及ARM存儲系統提供的對外接口。本節介紹用戶通過這些接口來訪問ARM存儲系統時需要遵守的規則。
1.地址空間
ARM體系使用單一的和平板地址空間。該地址空間大小為2^32個8位字節，這些字節的單元地址是一個無符號的32位數值，其取值范圍為0~2^32-1。ARM地址空間也可以看作是2^30個32位的字單元。這些字單元的地址可以被4整除，也就是說該地址低兩位為0b00。地址為A的字數據包括地址為A、A+1、A+3、A+3 4個字節單元的內容。
各存儲單元的地址作為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。
程序正常執行時，每執行一條ARM指令，當前指令計數器加4個字節；每執行一條Thumb指令，當前指令計數器加2個字節。但是，當地址上發生溢出時，執行結果將是不可預知的。
2.存儲器格式
在ARM中，如果地址A是字對齊的，有下面幾種：
地址為A的字單元包括字節單元A,A+1,A+2,A+3。
地址為A的班子單元包括字節單元A,A+1。
地址為A+2的半字單元包括字節單元A+2,A=3.
地址為A的字單元包括半字節單元A，A+2。
在big-endian格式中，對于地址為a的字單元其中字節單元由高位到低位字節順序為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 |
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半字單元A|半字單元A+2 |
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字節單元A |字節單元A+1|字節單元A+2 |字節單元A+3|
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在little-endian格式中，對于地址為A的字單元由高位到低位字節順序為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 |
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字節單元A+3 |字節單元A+2|字節單元A+1 |字節單元A |
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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的寄存器C1的位[7]決定系統中存儲器的格式。當系統復位時，寄存器C1的[7]值為零，這時系統中存儲器格式為little-endian格式。如果系統中采用的是big-endian格式，則復位異常中斷處理程序中必須設置c1寄存器的[7]位。
3.非對齊的存儲訪問操作
非對齊：位于arm狀態期間，低二位不為0b00；位于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，忽略地址中相應的位，則由存儲系統實現這種忽略。
3.2非對齊的數據訪問操作
對于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
*忽略字單元地址低兩位的值，即訪問地址為字單元；忽略半字單元最低位的值，即訪問地址為半字單元。
*由存儲系統忽略字單元地址中低兩位的值，半字單元地址最低位的值。
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地址。對于ARM指令來說，返回當前指令地址值加8個字節；對于Thumb指令來說，返回值為當前指令地址值加4個字節。
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空間設置成非緩沖的。
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ARM編譯器支持的數據類型

數據類型 長度（位） 對齊特性
Char 8 1(字節對齊)
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。對于long long類型來說，在little endian內存模式下，其低32位保存在低地址的字單元中，高32為保存在高地址的字單元中；在big endian模式下，其低32位保存在高地址的字單元中，高32為保存在低地址的字單元中。對于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制的補碼進行的。
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。
制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。
對于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；對于有符號的負數來說，超過32位的右移操作結果為-1。
整數除法運算的余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，并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。
對于浮點數的操作遵守下面的規則：
遵守正常的IEEE754規則。
當默認情況下禁止浮點數運算異常中斷。
當發生卷繞時，用最接近的數據來表示。
3.指針類型的數據
下面的規則適用于處數據成員指針以外的其他指針：
NULL被定義為0。
相鄰的兩個存儲單元地址相差一。
在指向函數的指針和指向數據的指針進行數據轉換時，編譯器將會產生警告信息。
類型size_t被定義為unsigned int.
類型ptrdiff_t被定義為signed int。
兩個指針類型的數據相減時，結果可以按照下面的公式得到。
((int)a-(int)b)/(int)sizeof(type pointed to)
這時，只要指針所指的對象不是pack的，其對齊特性能夠滿足整除的要求。