ARM基础知识教程四：ARM存储系统概述

ARM存储系统的体系结构适应不同的嵌入式应用系统的需要差别很大。最简单的存储系统使用平办事的地址映射机制，就像一些简单的弹片机系统中一样，地址空间的分配方式是固定的，系统各部分都使用物理地址。而一些复杂系统可能包括下面的一种或几种技术，从而提供更为强大的存储系统。
系统中可能包含多种类型的存储器，如FLASH,ROM,RAM,EEPROM等，不同类型的存储器的速度和宽度等各不相同。
通过使用CACHE及WRITE BUFFER技术缩小处理器和存储系统速度差别，从而提高系统的整体性能。
内存管理部件通过内存映射技术实现虚拟空间到物理空间的映射。在系统加电时，将ROM/FLASH影射为地址0，这样可以进行一些初始化处理；当这些初始化完成后将RAM地址影射为0，并把系统程序加载到RAM中运行，这样很好地解决了嵌入式系统的需要。
引入存储保护机制，增强系统的安全性。
引入一些机制保证I/O操作应设成内存操作后，各种I/O操作能够得到正确的结果。
与存储系统相关的程序设计指南
本节从外部来看ARM存储系统，及ARM存储系统提供的对外接口。本节介绍用户通过这些接口来访问ARM存储系统时需要遵守的规则。
1.地址空间
ARM体系使用单一的和平板地址空间。该地址空间大小为2^32个8位字节，这些字节的单元地址是一个无符号的32位数值，其取值范围为0~2^32-1。ARM地址空间也可以看作是2^30个32位的字单元。这些字单元的地址可以被4整除，也就是说该地址低两位为0b00。地址为A的字数据包括地址为A、A+1、A+3、A+3 4个字节单元的内容。
各存储单元的地址作为32为无符号数，可以进行常规的整数运算。这些运算的结果进行2^32取模。
程序正常执行时，每执行一条ARM指令，当前指令计数器加4个字节；每执行一条Thumb指令，当前指令计数器加2个字节。但是，当地址上发生溢出时，执行结果将是不可预知的。
2.存储器格式
在ARM中，如果地址A是字对齐的，有下面几种：
地址为A的字单元包括字节单元A,A+1,A+2,A+3。
地址为A的班子单元包括字节单元A,A+1。
地址为A+2的半字单元包括字节单元A+2,A=3.
地址为A的字单元包括半字节单元A，A+2。
在big-endian格式中，对于地址为a的字单元其中字节单元由高位到低位字节顺序为A,A+1,A=2，A+3;这种存储器格式如下所示：
31       24 23                    16 15           8 7        0 
--------------------------------------------------------------------
字单元A           |
--------------------------------------------------------------------
半字单元A   | 半字单元A+2     |
--------------------------------------------------------------------
字节单元A    | 字节单元A+1 | 字节单元A+2   | 字节单元A+3|
--------------------------------------------------------------------
在little-endian格式中，对于地址为A的字单元由高位到低位字节顺序为A+3,A+2,A+1,A，这种存储格式如下所示
31       24 23                    16 15           8 7        0 
--------------------------------------------------------------------
字单元A           |
--------------------------------------------------------------------
半字单元A+2   | 半字单元A     |
--------------------------------------------------------------------
字节单元A+3    |字节单元A+2 | 字节单元A+1   | 字节单元A  |
--------------------------------------------------------------------
在ARM系统中没有提供指令来选择存储器格式。如果系统中包含标准的ARM控制协处理器CP15，则CP15的寄存器C1的位[7]决定系统中存储器的格式。当系统复位时，寄存器C1的[7]值为零，这时系统中存储器格式为little-endian格式。如果系统中采用的是big-endian格式，则复位异常中断处理程序中必须设置c1寄存器的[7]位。
3.非对齐的存储访问操作
非对齐：位于arm状态期间，低二位不为0b00；位于Thumb状态期间，最低位不为0b0。
3.1非对齐的指令预取操作
如果系统中指定当发生非对齐的指令预取操作时，忽略地址中相应的位，则由存储系统实现这种忽略。
3.2非对齐的数据访问操作
对于LOAD/STORE操作，系统定义了下面3中可能的结果：
*执行结果不可预知
*忽略字单元地址低两位的值，即访问地址为字单元；忽略半字单元最低位的值，即访问地址为半字单元。
*由存储系统忽略字单元地址中低两位的值，半字单元地址最低位的值。
4.指令预取和自修改代码
当用户读取PC计数器的值时，返回的是当前指令下面的第二条指令的地址。对于ARM指令来说，返回当前指令地址值加8个字节；对于Thumb指令来说，返回值为当前指令地址值加4个字节。
自修改代码指的是代码在执行过程中修改自身。应尽量避免使用。
5.存储器映射的I/O空间
在ARM中，I/O操作通常被影射为存储器操作。通常需要将存储器映射的I/O空间设置成非缓冲的。
*
ARM编译器支持的数据类型

数据类型 长度（位） 对齐特性
Char       8                1(字节对齐)
short      16               2(百字对齐)
Int           32              4(字对齐)
Long      32               4(字对齐)
Longlong 64            4(字对齐)
Float       32              4(字对齐)
Double     64               4(字对齐)
Long double 64           4(字对齐)
All pointers 32             4(字对齐)
Bool(C++ only) 32           4(字对齐)
1.整数类型
在ARM体系中，整数类型是以2的补码形式存储的。对于long long类型来说，在little endian内存模式下，其低32位保存在低地址的字单元中，高32为保存在高地址的字单元中；在big endian模式下，其低32位保存在高地址的字单元中，高32为保存在低地址的字单元中。对于整型数据的操作遵守下面的规则：

所有带符号的整型书的运算是按照二进制的补码进行的。
带符号的整型数的运算不进行符号的扩展。
带符号的整型数的右移操作是算数移位。
制定的移位位数的数是8位的无符号数。
进行移位操作的数被作为32位数。
超过31位的逻辑左移的结果为0。
对于无符号数和有符号的正数来说，超过32位的右移操作结果为0；对于有符号的负数来说，超过32位的右移操作结果为-1。
整数除法运算的余数和除数有相同的符号。
当把一个整数截断成位数更短的整数类型的数时，并不能保证所得到的结果的最高位的符号位的正确性。
整型数据之间的类型转换不会产生异常中断。
整型数据的溢出不会产生异常中断。
整型数据除以0将会产生异常中断。
2.浮点数
在ARM体系中，浮点数是按照IEEE标准存储的。
float类型的数是按照IEEE的单精度数表示的。
double和long double 是用IEEE的双精度数表示的。
对于浮点数的操作遵守下面的规则：
遵守正常的IEEE754规则。
当默认情况下禁止浮点数运算异常中断。
当发生卷绕时，用最接近的数据来表示。
3.指针类型的数据
下面的规则适用于处数据成员指针以外的其他指针：
NULL被定义为0。
相邻的两个存储单元地址相差一。
在指向函数的指针和指向数据的指针进行数据转换时，编译器将会产生警告信息。
类型size_t被定义为unsigned int.
类型ptrdiff_t被定义为signed int。
两个指针类型的数据相减时，结果可以按照下面的公式得到。
    ((int)a-(int)b)/(int)sizeof(type pointed to)
这时，只要指针所指的对象不是pack的，其对齐特性能够满足整除的要求。