[計(jì)算機(jī)硬件及網(wǎng)絡(luò)]arm體系結(jié)構(gòu)

1、2021/3/2312021/3/232 ARM是Advanced RISC Machines的縮寫(xiě)，它是一家微處理器行業(yè)的知名企業(yè)，該企業(yè)設(shè)計(jì)了大量高性能、廉價(jià)、耗能低的RISC （精簡(jiǎn)指令集）處理器。 公司的特點(diǎn)是只設(shè)計(jì)芯片，而不生產(chǎn)。它將技術(shù)授權(quán)給世界上許多著名的半導(dǎo)體、軟件和OEM廠商，并提供服務(wù)。2021/3/233將技術(shù)授權(quán)給其它芯片廠商形成各具特色的ARM芯片. . .2021/3/2342021/3/2352021/3/2362021/3/2372021/3/2382021/3/2392021/3/2310 ARM處理器為RISC芯片,其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)使ARM內(nèi)核非常小,這使得器件

2、的功耗也非常低。它具有經(jīng)典RISC的特點(diǎn):大的、統(tǒng)一的寄存器文件；裝載/保存結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)處理 操作只針對(duì)寄存器的內(nèi)容，而不直接對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行操作；簡(jiǎn)單的尋址模式;統(tǒng)一和固定長(zhǎng)度的指令域，簡(jiǎn)化了指令的譯碼，便于指令流水線(xiàn)設(shè)計(jì)。2021/3/2311ARM體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn):每條數(shù)據(jù)處理指令都對(duì)算術(shù)邏輯單元和移位器控制，實(shí)現(xiàn)了ALU和移位器的最大利用；地址自動(dòng)增加和減少尋址模式，優(yōu)化程序循環(huán)；多寄存器裝載和存儲(chǔ)指令實(shí)現(xiàn)最大數(shù)據(jù)吞吐量;所有指令的條件執(zhí)行實(shí)現(xiàn)最快速的代碼執(zhí)行。2021/3/2312 ARM體系結(jié)構(gòu)從最初開(kāi)發(fā)到現(xiàn)在有了很大的改進(jìn),并仍在完善和發(fā)展。為了清楚的表達(dá)每個(gè)ARM應(yīng)用實(shí)例所使用的指令集

3、,ARM公司定義了6種主要的ARM指令集體系結(jié)構(gòu)版本,以版本號(hào)V1V6表示。2021/3/2313 該版本的ARM體系結(jié)構(gòu),只有26位的尋址空間,沒(méi)有商業(yè)化,其特點(diǎn)為:基本的數(shù)據(jù)處理指令（不包括乘法）;字節(jié)、字和半字加載/存儲(chǔ)指令;具有分支指令,包括在子程序調(diào)用中使用的分支和鏈接指令;在操作系統(tǒng)調(diào)用中使用的軟件中斷指令。2021/3/2314 同樣為26位尋址空間,現(xiàn)在已經(jīng)廢棄不再使用,它相對(duì)V1版本有以下改進(jìn):具有乘法和乘加指令;支持協(xié)處理器;快速中斷模式中的兩個(gè)以上的分組寄存器;具有原子性加載/存儲(chǔ)指令SWP和SWPB。2021/3/2315 尋址范圍擴(kuò)展到32位（目前已廢棄）,具有獨(dú)立的

4、程序:具有乘法和乘加指令;支持協(xié)處理器;快速中斷模式中具有的兩個(gè)以上的分組寄存器;具有原子性加載/存儲(chǔ)指令SWP和SWPB。2021/3/2316 不在為了與以前的版本兼容而支持26位體系結(jié)構(gòu),并明確了哪些指令會(huì)引起未定義指令異常發(fā)生,它相對(duì)V3版本作了以下的改進(jìn):半字加載/存儲(chǔ)指令;字節(jié)和半字的加載和符號(hào)擴(kuò)展指令;具有可以轉(zhuǎn)換到Thumb狀態(tài)的指令（BX）;增加了用戶(hù)模式寄存器的新的特權(quán)處理器模式。2021/3/2317 在V4版本的基礎(chǔ)上,對(duì)現(xiàn)在指令的定義進(jìn)行了必要的修正,對(duì)V4版本的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了擴(kuò)展并并增加了指令,具體如下:改進(jìn)了ARM/Thumb狀態(tài)之間的切換效率;E-增強(qiáng)型DSP指

5、令集,包括全部算法操作和16位乘法操作;J-支持新的JAVA,提供字節(jié)代碼執(zhí)行的硬件和優(yōu)化軟件加速功能。2021/3/2318 ARM公司開(kāi)發(fā)了很多系列的ARM處理器核,目前最新的系列已經(jīng)是ARM11了,而ARM6核以及更早的系列已經(jīng)很罕見(jiàn)了。目前應(yīng)用比較廣泛的系列是:ARM7ARM9ARM9EARM10SecurCoreXscaleARM11Cortex2021/3/2319預(yù)取（Fetch）譯碼（Decode）執(zhí)行（Execute）預(yù)?。‵etch）譯碼（Decode）執(zhí)行（Execute）訪存（Memory）寫(xiě)入（Write）預(yù)?。‵etch）譯碼（Decode）發(fā)送（Issue）預(yù)?。?/p>

6、Fetch）預(yù)?。‵etch）執(zhí)行（Execute）訪存（Memory）寫(xiě)入（Write）譯碼（Decode）發(fā)送（Issue）執(zhí)行（Execute）轉(zhuǎn)換（Snny）訪存（Memory）寫(xiě)入（Write）ARM7ARM9ARM10ARM112021/3/23202021/3/23212021/3/23222021/3/23232021/3/23242021/3/23252021/3/23262021/3/23272021/3/232811123422021/3/23292021/3/23302021/3/23312021/3/2332 位位大端模式大端模式字地址字地址 8 4 02021/3/

7、2333 位位小端模式小端模式字地址字地址 8 4 02021/3/23342021/3/23352021/3/2336 除用戶(hù)模式外,其它模式均為特權(quán)模式。ARM內(nèi)部寄存器和一些片內(nèi)外設(shè)在硬件設(shè)計(jì)上只允許（或者可選為只允許）特權(quán)模式下訪問(wèn)。此外,特權(quán)模式可以自由的切換處理器模式,而用戶(hù)模式不能直接切換到別的模式。2021/3/2337 這五種模式稱(chēng)為異常模式。它們除了可以通過(guò)程序切換進(jìn)入外,也可以由特定的異常進(jìn)入。當(dāng)特定的異常出現(xiàn)時(shí),處理器進(jìn)入相應(yīng)的模式。每種異常模式都有一些獨(dú)立的寄存器,以避免異常退出時(shí)用戶(hù)模式的狀態(tài)不可靠。2021/3/2338n用戶(hù)和系統(tǒng)模式 這兩種模式都不能由異常進(jìn)入

8、,而且它們使用完全相同的寄存器組。 系統(tǒng)模式是特權(quán)模式,不受用戶(hù)模式的限制。操作系統(tǒng)在該模式下訪問(wèn)用戶(hù)模式的寄存器就比較方便,而且操作系統(tǒng)的一些特權(quán)任務(wù)可以使用這個(gè)模式訪問(wèn)一些受控的資源。2021/3/2339管理模式管理模式SVC(Supervisor)多種特權(quán)模式變化多種特權(quán)模式變化用戶(hù)程序的運(yùn)行模式用戶(hù)程序的運(yùn)行模式 復(fù)位后復(fù)位后缺省模式缺省模式主要完成各主要完成各模式的堆棧模式的堆棧設(shè)置設(shè)置,注意注意不要進(jìn)入用不要進(jìn)入用戶(hù)模式戶(hù)模式一般為用戶(hù)一般為用戶(hù)模式模式User2021/3/23402021/3/2341ARM狀態(tài)各模式下的寄存器2021/3/2342ARM狀態(tài)各模式下的寄存器所

9、有的37個(gè)寄存器,分成兩大類(lèi):31個(gè)通用32位寄存器;6個(gè)狀態(tài)寄存器。2021/3/2343ARM狀態(tài)各模式下可以訪問(wèn)的寄存器2021/3/2344一般的通用寄存器 在匯編語(yǔ)言中寄存器R0R13為保存數(shù)據(jù)或地址值的通用寄存器。它們是完全通用的寄存器,不會(huì)被體系結(jié)構(gòu)作為特殊用途,并且可用于任何使用通用寄存器的指令。2021/3/2345一般的通用寄存器 其中R0R7為未分組的寄存器,也就是說(shuō)對(duì)于任何處理器模式,這些寄存器都對(duì)應(yīng)于相同的32位物理寄存器。2021/3/2346一般的通用寄存器 寄存器R8R14為分組寄存器。它們所對(duì)應(yīng)的物理寄存器取決于當(dāng)前的處理器模式,幾乎所有允許使用通用寄存器的指

10、令都允許使用分組寄存器2021/3/2347一般的通用寄存器 寄存器R8R12有兩個(gè)分組的物理寄存器。一個(gè)用于除FIQ模式之外的所有寄存器模式,另一個(gè)用于FIQ模式。這樣在發(fā)生FIQ中斷后,可以加速FIQ的處理速度。2021/3/2348一般的通用寄存器 寄存器R13、R14分別有6個(gè)分組的物理寄存器。一個(gè)用于用戶(hù)和系統(tǒng)模式,其余5個(gè)分別用于5種異常模式。2021/3/2349堆棧指針寄存器R13（SP） 寄存器R13常作為堆棧指針（SP）。在ARM指令集當(dāng)中,沒(méi)有以特殊方式使用R13的指令或其它功能,只是習(xí)慣上都這樣使用。但是在Thumb指令集中存在使用R13的指令。2021/3/2350鏈

11、接寄存器R14（LR） R14為鏈接寄存器（LR）,在結(jié)構(gòu)上有兩個(gè)特殊功能:在每種模式下,模式自身的R14版本用于保存子程序返回地址;當(dāng)發(fā)生異常時(shí),將R14對(duì)應(yīng)的異常模式版本設(shè)置為異常返回地址（有些異常有一個(gè)小的固定偏移量）。2021/3/2351程序計(jì)數(shù)器R15（PC） 寄存器R15為程序計(jì)數(shù)器（PC）,它指向正在取指的地址。可以認(rèn)為它是一個(gè)通用寄存器,但是對(duì)于它的使用有許多與指令相關(guān)的限制或特殊情況。如果R15使用的方式超出了這些限制,那么結(jié)果將是不可預(yù)測(cè)的。2021/3/2352程序狀態(tài)寄存器CPSR 寄存器CPSR為程序狀態(tài)寄存器,在異常模式中,另外一個(gè)寄存器“程序狀態(tài)保存寄存器（SP

12、SR）”可以被訪問(wèn)。每種異常都有自己的SPSR,在因?yàn)楫惓Ｊ录M(jìn)入異常時(shí)它保存CPSR的當(dāng)前值,異常退出時(shí)可通過(guò)它恢復(fù)CPSR。2021/3/2353Thumb狀態(tài)各模式下的寄存器注意:括號(hào)內(nèi)為ATPCS中寄存器的命名,可以使用RN匯編偽指令將寄存器定義多個(gè)名字。其中ADS1.2的匯編程序直接支持這些名稱(chēng),但注意a1a4,v1v4必須用小寫(xiě)。2021/3/2354Thumb狀態(tài)下的通用寄存器 在匯編語(yǔ)言中寄存器R0R7為保存數(shù)據(jù)或地址值的通用寄存器。對(duì)于任何處理器模式,它們中的每一個(gè)都對(duì)應(yīng)于相同的32為物理寄存器。它們是完全通用的寄存器,不會(huì)被體系結(jié)構(gòu)作為特殊的用途,并且可用于任何使用通用寄存器的指令。2021/3/2355Thumb狀態(tài)下的堆棧指針寄存器（SP） 堆棧指針SP對(duì)應(yīng)ARM狀態(tài)的寄存器R13。