ARM體系結(jié)構(gòu)及編程模型

1、 第二章 ARM體系結(jié)構(gòu)及編程模型10/12/2022主講張道德1提綱13245ARM技術(shù)的應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域域及特點(diǎn)點(diǎn)ARM處理器的的寄存器器組織ARM處理器的的工作模模式ARM微處理器器系列67第二章ARM體系結(jié)構(gòu)構(gòu)及編程程模型ARM異常處理理ARM處理器的的工作狀狀態(tài)ARM處理器的的存儲(chǔ)器器格式2ARMAdvancedRISC MachinesARM（AdvancedRISC Machines），既可以認(rèn)認(rèn)為是一一個(gè)公司司的名字字，也可可以認(rèn)為為是對(duì)一一類(lèi)微處處理器的的通稱，還可以以認(rèn)為是是一種技技術(shù)的名名字。ARM技術(shù)的應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域域及特點(diǎn)點(diǎn)1991年ARM公司成立立于英國(guó)國(guó)劍橋，主要出出售芯片

2、片設(shè)計(jì)技技術(shù)的授授權(quán)。3ARM公公司的的Chipless模式世界各大大半導(dǎo)體體生產(chǎn)商商從ARM公司購(gòu)買(mǎi)買(mǎi)其設(shè)計(jì)計(jì)的ARM微處理器器核，根根據(jù)各自自不同的的應(yīng)用領(lǐng)領(lǐng)域，加加入適當(dāng)當(dāng)?shù)耐鈬鷩娐?，從而形形成自己己的ARM微處理器器芯片進(jìn)進(jìn)入市場(chǎng)場(chǎng)。ARM技術(shù)的應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域域及特點(diǎn)點(diǎn)基于ARM技術(shù)的微微處理器器應(yīng)用約約占據(jù)了了32位RISC微處理理器75以上的的市場(chǎng)份份額，ARM技術(shù)正在在逐步滲滲入到我我們生活活的各個(gè)個(gè)方面。我國(guó)的中興集成成電路、大唐電訊訊、中芯芯國(guó)際和和上海華華虹，以以及國(guó)外外的一些些公司如如德州儀儀器、意意法半導(dǎo)導(dǎo)體、Philips、Intel、Samsung等都推出出了自己己設(shè)

3、計(jì)的的基于ARM核的處理理器。4ARM微處理器器的應(yīng)用用領(lǐng)域工業(yè)控制制領(lǐng)域：作為32的RISC架構(gòu)，基基于ARM核的微控控制器芯芯片不但但占據(jù)了了高端微微控制器器市場(chǎng)的的大部分分市場(chǎng)份份額，同同時(shí)也逐逐漸向低低端微控控制器應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域域擴(kuò)展，ARM微控制器器的低功功耗、高高性價(jià)比比，向傳傳統(tǒng)的8位/16位微控制制器提出出了挑戰(zhàn)戰(zhàn)。ARM技術(shù)的應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域域及特點(diǎn)點(diǎn)到目前為為止，ARM微處理器器及技術(shù)術(shù)的應(yīng)用用已經(jīng)廣廣泛深入入到國(guó)民民經(jīng)濟(jì)的的各個(gè)領(lǐng)領(lǐng)域5ARM微處理器器的應(yīng)用用領(lǐng)域ARM技術(shù)的應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域域及特點(diǎn)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用用：隨著著寬帶技技術(shù)的推推廣，采采用ARM技術(shù)的ADSL芯片正逐逐步獲得得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)

4、優(yōu)勢(shì)。此此外，ARM在語(yǔ)音及及視頻處處理上進(jìn)進(jìn)行了優(yōu)優(yōu)化，并并獲得廣廣泛支持持，也對(duì)對(duì)DSP的應(yīng)用領(lǐng)領(lǐng)域提出出了挑戰(zhàn)戰(zhàn)。消費(fèi)類(lèi)電電子產(chǎn)品品：ARM技術(shù)在目目前流行行的數(shù)字字音頻播播放器、數(shù)字機(jī)機(jī)頂盒和和游戲機(jī)機(jī)中得到到廣泛采采用。成像和安安全產(chǎn)品品：現(xiàn)在在流行的的數(shù)碼相相機(jī)和打打印機(jī)中中絕大部部分采用用ARM技術(shù)。手手機(jī)中的的32位SIM智能卡也也采用了了ARM技術(shù)。6ARM微處理器器的特點(diǎn)點(diǎn)低功耗、低成本本、高性性能采用RISC指令集ARM技術(shù)的應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域域及特點(diǎn)點(diǎn)低功耗、低成本本、高性性能使用大量量的寄存存器ARM/THUMB指令支持持三/五級(jí)流水水線7ARM微處理器器的特點(diǎn)點(diǎn)采用RISC

5、體系結(jié)構(gòu)構(gòu)ARM技術(shù)的應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域域及特點(diǎn)點(diǎn)采用RISC架構(gòu)的ARM處理器一一般具有有如下特特點(diǎn)：固定長(zhǎng)度度的指令令格式，指令歸歸整、簡(jiǎn)簡(jiǎn)單、基基 本尋尋址方式式有23種；使用單周周期指令令，便于于流水線線操作執(zhí)執(zhí)行；大量使用用寄存器器，數(shù)據(jù)據(jù)處理指指令只對(duì)對(duì)寄存器器進(jìn)行操操作，只只有加載載/存儲(chǔ)指令令可以訪訪問(wèn)存儲(chǔ)儲(chǔ)器，以以提高指指令的執(zhí)執(zhí)行效率率。8ARM微處理器器的特點(diǎn)點(diǎn)大量使用用寄存器器ARM技術(shù)的應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域域及特點(diǎn)點(diǎn)ARM處理器共共有37個(gè)寄存器器，被分分為若干干個(gè)組，這些寄寄存器包包括：31個(gè)通用寄寄存器，包括程程序計(jì)數(shù)數(shù)器（PC指針），均為32位的寄存存器；6個(gè)狀態(tài)寄寄存器，用以標(biāo)

6、標(biāo)識(shí)CPU的工作狀狀態(tài)及程程序的運(yùn)運(yùn)行狀態(tài)態(tài)，均為為32位。9ARM微處理器器的特點(diǎn)點(diǎn)高效的指指令系統(tǒng)統(tǒng)ARM技術(shù)的應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域域及特點(diǎn)點(diǎn)ARM微處理器器支持兩兩種指令令集：ARM指令集和和Thumb指令集。ARM指令為32位的長(zhǎng)度度，Thumb指令為16位長(zhǎng)度。Thumb指令集為為ARM指令集的的功能子子集，但但與等價(jià)價(jià)的ARM代碼相比比較，可可節(jié)省3040以上的的存儲(chǔ)空空間，同同時(shí)具備備32位代碼的的所有優(yōu)優(yōu)點(diǎn)。10ARM微處理器器的特點(diǎn)點(diǎn)其他技術(shù)術(shù)ARM技術(shù)的應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域域及特點(diǎn)點(diǎn)除此以外外，ARM體系結(jié)構(gòu)構(gòu)還采用用了一些些特別的的技術(shù)，在保證證高性能能的前提提下盡量量縮小芯芯片的面面積，并

7、并降低功功耗：所有的ARM指令都可可根據(jù)前前面的執(zhí)執(zhí)行結(jié)果果決定是是否被執(zhí)執(zhí)行，從從而提高高指令的的執(zhí)行效效率?？捎眉虞d載/存儲(chǔ)指令令批量傳傳輸數(shù)據(jù)據(jù)，以提提高數(shù)據(jù)據(jù)的傳輸輸效率?？稍谝粭l條數(shù)據(jù)處處理指令令中同時(shí)時(shí)完成邏邏輯處理理和移位位處理。在循環(huán)處處理中使使用地址址的自動(dòng)動(dòng)增減來(lái)來(lái)提高運(yùn)運(yùn)行效率率。11ARM微處理器器系列ARM微處理器器系列ARM7系列ARM9系列ARM9E系列ARM10E系列SecurCore系列Intel的Xscale其中，ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10為4個(gè)通用處處理器系系列，每每一個(gè)系系列提供供一套相相對(duì)獨(dú)特特的性能能來(lái)滿足足不同應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域域的需求求。

8、SecurCore系列專(zhuān)門(mén)門(mén)為安全全要求較較高的應(yīng)應(yīng)用而設(shè)設(shè)計(jì)。12ARM7微處理器器系列ARM7系列是低低功耗的的32位RISC處理器，最適合合用于對(duì)對(duì)價(jià)位和和功耗要要求較高高的消費(fèi)費(fèi)類(lèi)應(yīng)用用。ARM7系列有如如下特點(diǎn)點(diǎn)：具有嵌入入式ICERT邏輯，調(diào)調(diào)試開(kāi)發(fā)發(fā)方便；極低的功功耗，適適合對(duì)功功耗要求求較高的的應(yīng)用，如便攜攜式產(chǎn)品品；能夠提供供0.9MIPS/MHz的三級(jí)流流水線結(jié)結(jié)構(gòu)；兼容16位的Thumb指令集，代碼密密度高；對(duì)操作系系統(tǒng)的支支持廣泛泛，如Windows CE、Linux、Palm OS等；指令系統(tǒng)統(tǒng)與ARM9系列、ARM9E系列和ARM10E系列兼容容，便于于用戶的的產(chǎn)品

9、升升級(jí)換代代；主頻最高高可達(dá)130M，高速的運(yùn)運(yùn)算處理理能力能能勝任絕絕大多數(shù)數(shù)的復(fù)雜雜應(yīng)用。ARM微處理器器系列13ARM7微處理器器系列ARM微處理器器系列主要應(yīng)用用領(lǐng)域：工業(yè)控控制、Internet設(shè)備、網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)和調(diào)調(diào)制解調(diào)調(diào)器設(shè)備備、移動(dòng)動(dòng)電話等等多種多多媒體和和嵌入式式應(yīng)用。ARM7系列微處處理器包包括如下下幾種類(lèi)類(lèi)型的核核：ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ。其中，ARM7TMDI是目前使使用最廣廣泛的32位嵌入式式RISC處理器，屬低端端ARM處理器核核。TDMI的基本含含義為：T：支持16位壓縮指指令集Thumb；D：支持片上上Debug；M：內(nèi)

10、嵌硬件件乘法器器（Multiplier）I：嵌入式ICE，支持片上上斷點(diǎn)和和調(diào)試點(diǎn)點(diǎn)；14ARM9微處理器器系列ARM微處理器器系列ARM9系列微處處理器在在高性能能和低功功耗特性性方面提提供最佳佳的表現(xiàn)現(xiàn)。具有有以下特特點(diǎn)：5級(jí)流水線線，指令令執(zhí)行效效率更高高。提供1.1MIPS/MHz的哈佛結(jié)結(jié)構(gòu)。支持32位ARM指令集和和16位Thumb指令集。支持32位的高速速AMBA總線接口口。全性能的的MMU，支持Windows CE、Linux、Palm OS等多種主主流嵌入入式操作作系統(tǒng)。MPU支持實(shí)時(shí)時(shí)操作系系統(tǒng)。支持?jǐn)?shù)據(jù)據(jù)Cache和指令Cache，具有更高高的指令令和數(shù)據(jù)據(jù)處理能能力。1

11、5ARM9微處理器器系列ARM9系列微處處理器主主要應(yīng)用用于無(wú)線線設(shè)備、儀器儀儀表、安安全系統(tǒng)統(tǒng)、機(jī)頂頂盒、高高端打印印機(jī)、數(shù)數(shù)字照相相機(jī)和數(shù)數(shù)字?jǐn)z像像機(jī)等。ARM微處理器器系列ARM9系列微處處理器包包含ARM920T、ARM922T和ARM940T三種類(lèi)型型，以適適用于不不同的應(yīng)應(yīng)用場(chǎng)合合。16ARM9E微處理器器系列ARM微處理器器系列ARM9E系列微處處理器的的主要特特點(diǎn)如下下：支持DSP指令集，適合于于需要高高速數(shù)字字信號(hào)處處理的場(chǎng)場(chǎng)合。5級(jí)流水線線，指令令執(zhí)行效效率更高高。支持32位ARM指令集和和16位Thumb指令集。支持32位的高速速AMBA總線接口口。支持VFP9浮點(diǎn)處理理

12、協(xié)處理理器。全性能的的MMU，支持眾多多主流嵌嵌入式操操作系統(tǒng)統(tǒng)。支持?jǐn)?shù)據(jù)據(jù)Cache和指令Cache，具有更高高的處理理能力。主頻最高高可達(dá)300M。17ARM9E微處理器器系列ARM9E系列微處處理器主主要應(yīng)用用于下一一代無(wú)線線設(shè)備、數(shù)字消消費(fèi)品、成像設(shè)設(shè)備、工工業(yè)控制制、存儲(chǔ)儲(chǔ)設(shè)備和和網(wǎng)絡(luò)設(shè)設(shè)備等領(lǐng)領(lǐng)域。ARM微處理器器系列ARM9E系列微處處理器包包含ARM926EJ-S、ARM946E-S和ARM966E-S三種類(lèi)型型，以適適用于不不同的應(yīng)應(yīng)用場(chǎng)合合。18ARM10E微處理器器系列ARM微處理器器系列ARM10E系列微處處理器的的主要特特點(diǎn)如下下：支持DSP指令集，適合于于需要高高速

13、數(shù)字字信號(hào)處處理的場(chǎng)場(chǎng)合。6級(jí)流水線線，指令令執(zhí)行效效率更高高。支持32位ARM指令集和和16位Thumb指令集。支持32位的高速速AMBA總線接口口。支持VFP10浮點(diǎn)處理理協(xié)處理理器。全性能的的MMU，支持眾多多主流嵌嵌入式操操作系統(tǒng)統(tǒng)。支持?jǐn)?shù)據(jù)據(jù)Cache和指令Cache，具有更高高的處理理能力主頻最高高可達(dá)400M。內(nèi)嵌并行行讀/寫(xiě)操作部部件。19ARM10E微處理器器系列ARM10E系列微處處理器主主要應(yīng)用用于下一一代無(wú)線線設(shè)備、數(shù)字消消費(fèi)品、成像設(shè)設(shè)備、工工業(yè)控制制、通信信和信息息系統(tǒng)等等領(lǐng)域。ARM微處理器器系列ARM10E系列微處處理器包包含ARM1020E、ARM1022E和

14、ARM1026EJ-S三種類(lèi)型型，以適適用于不不同的應(yīng)應(yīng)用場(chǎng)合合。20SecurCore微處理器器系列ARM微處理器器系列SecurCore系列微處處理器除除了具有有ARM體系結(jié)構(gòu)構(gòu)各種主主要特點(diǎn)點(diǎn)外，還還在系統(tǒng)統(tǒng)安全方方面具有有如下的的特點(diǎn)：帶有靈活活的保護(hù)護(hù)單元，確保操操作系統(tǒng)統(tǒng)和應(yīng)用用數(shù)據(jù)的的安全。采用軟內(nèi)內(nèi)核技術(shù)術(shù)，防止止外部對(duì)對(duì)其進(jìn)行行掃描探探測(cè)?？杉捎糜脩糇约杭旱陌踩匦院秃推渌麉f(xié)協(xié)處理器器。21SecurCore微處理器器系列SecurCore系列微處處理器主主要應(yīng)用用于一些些對(duì)安全全性要求求較高的的應(yīng)用產(chǎn)產(chǎn)品及應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)統(tǒng)，如電電子商務(wù)務(wù)、電子子政務(wù)、電子銀銀行業(yè)務(wù)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)

15、絡(luò)和認(rèn)證證系統(tǒng)等等領(lǐng)域。ARM微處理器器系列SecurCore系列微處處理器包包含SecurCoreSC100、SecurCoreSC110、SecurCoreSC200和SecurCoreSC210四種類(lèi)型型，以適適用于不不同的應(yīng)應(yīng)用場(chǎng)合合。22StrongARM微處理器器系列ARM微處理器器系列IntelStrongARM處理器是是便攜式式通訊產(chǎn)產(chǎn)品和消消費(fèi)類(lèi)電電子產(chǎn)品品的理想想選擇，已成功功應(yīng)用于于多家公公司的掌掌上電腦腦系列產(chǎn)產(chǎn)品。IntelStrongARMSA-1100處理器是是采用ARM體系結(jié)構(gòu)構(gòu)高度集集成的32位RISC微處理器器。它融融合了Intel公司的設(shè)設(shè)計(jì)和處處理技術(shù)術(shù)

16、以及ARM體系結(jié)構(gòu)構(gòu)的電源源效率，采用在在軟件上上兼容ARMv4體系結(jié)構(gòu)構(gòu)、同時(shí)時(shí)采用具具有Intel技術(shù)優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)的體系系結(jié)構(gòu)。23Xscale處理器ARM微處理器器系列Xscale處理器是是基于ARMv5TE體系結(jié)構(gòu)構(gòu)的解決決方案，是一款款全性能能、高性性價(jià)比、低功耗耗的處理理器。它它支持16位的Thumb指令和DSP指令集，已使用用在數(shù)字字移動(dòng)電電話、個(gè)個(gè)人數(shù)字字助理和和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)產(chǎn)品等場(chǎng)場(chǎng)合。Xscale處理器是是Intel目前主要要推廣的的一款A(yù)RM微處理器器。24ARM微處理器器的工作作狀態(tài)ARM微處理器器的工作作狀態(tài)從編程的的角度看看，ARM微處理器器的工作作狀態(tài)一一般有兩兩種，并并可在

17、兩兩種狀態(tài)態(tài)之間切切換：ARM狀態(tài)，此此時(shí)處理理器執(zhí)行行32位的字對(duì)對(duì)齊的ARM指令；Thumb狀態(tài)，此此時(shí)處理理器執(zhí)行行16位的、半半字對(duì)齊齊的Thumb指令。25ARM與與THUMBTHUMB指令是ARM指令的子子集ARM微處理器器的工作作狀態(tài)可以相互互調(diào)用，只要遵遵循一定定的調(diào)用用規(guī)則Thumb指令與ARM指令的時(shí)時(shí)間效率率和空間間效率關(guān)關(guān)系為:存儲(chǔ)空間間約為ARM代碼的6070指令數(shù)比比ARM代碼多約約3040存儲(chǔ)器為為32位時(shí)ARM代碼比Thumb代碼快約約40存儲(chǔ)器為為16位時(shí)Thumb比ARM代碼快約約4050使用Thumb代碼，存存儲(chǔ)器的的功耗會(huì)會(huì)降低約約3026狀態(tài)切換換方法

18、ARM指令集和和Thumb指令集均均有切換換處理器器狀態(tài)的的指令，并可在在兩種工工作狀態(tài)態(tài)之間切切換，ARM微處理器器的工作作狀態(tài)在開(kāi)始執(zhí)執(zhí)行代碼碼時(shí)，處處于ARM狀態(tài)。27進(jìn)入Thumb狀態(tài)當(dāng)操作數(shù)數(shù)寄存器器的狀態(tài)態(tài)位（位位0）為1時(shí)，可以以采用執(zhí)執(zhí)行BX指令的方方法，使使微處理理器從ARM狀態(tài)切換換到Thumb狀態(tài)。當(dāng)處理器器處于Thumb狀態(tài)時(shí)發(fā)發(fā)生異常常（如IRQ、FIQ、Undef、Abort、SWI等），則則異常處處理返回回時(shí)，自自動(dòng)切換換到Thumb狀態(tài)。ARM微處理器器的工作作狀態(tài)28切換到ARM狀態(tài)當(dāng)操作數(shù)數(shù)寄存器器的狀態(tài)態(tài)位為0時(shí)，執(zhí)行行BX指令時(shí)可可以使微微處理器器從Th

19、umb狀態(tài)切換換到ARM狀態(tài)。ARM微處理器器的工作作狀態(tài)在處理器器進(jìn)行異異常處理理時(shí)，把把PC指針?lè)湃肴氘惓ＤＤＪ芥溄咏蛹拇嫫髌髦?，并并從異常常向量地地址開(kāi)始始執(zhí)行程程序，也也可以使使處理器器切換到到ARM狀態(tài)。29處理器模模式ARM微處理器器的工作作模式usr：ARM處理器正正常的程程序執(zhí)行行狀態(tài)fiq：用于高速速數(shù)據(jù)傳傳輸或通通道處理理irq：用于通用用的中斷斷處理svc：操作系統(tǒng)統(tǒng)使用的的保護(hù)模模式abt：用于虛擬擬存儲(chǔ)及及存儲(chǔ)保保護(hù)sys：運(yùn)行具有有特權(quán)的的操作系系統(tǒng)任務(wù)務(wù)und：當(dāng)出現(xiàn)未定定義指令令終止時(shí)時(shí)進(jìn)入該該模式30用戶模式式和特權(quán)權(quán)模式ARM微處理器器的工作作模式除了用戶戶

20、模式之之外的其其他6種處理器器模式稱稱為特權(quán)權(quán)模式特權(quán)模式式下，程程序可以以訪問(wèn)所所有的系系統(tǒng)資源源，也可可以任意意地進(jìn)行行處理器器模式的的切換。特權(quán)模式式中，除除系統(tǒng)模模式外，其他5種模式又又稱為異異常模式式大多數(shù)的的用戶程程序運(yùn)行行在用戶戶模式下下，此時(shí)時(shí)，應(yīng)用用程序不不能夠訪訪問(wèn)一些些受操作作系統(tǒng)保保護(hù)的系系統(tǒng)資源源，應(yīng)用用程序也也不能直直接進(jìn)行行處理器器模式的的切換。用戶模式式下，當(dāng)當(dāng)需要進(jìn)進(jìn)行處理理器模式式切換時(shí)時(shí)，應(yīng)用用程序可可以產(chǎn)生生異常處處理，在在異常處處理中進(jìn)進(jìn)行處理理器模式式的切換換。31模式切換換ARM微處理器器的工作作模式處理器模模式可以以通過(guò)軟軟件進(jìn)行行切換，也可以以

21、通過(guò)外外部中斷斷或者異異常處理理過(guò)程進(jìn)進(jìn)行切換換。當(dāng)應(yīng)用程程序發(fā)生生異常中中斷時(shí)，處理器器進(jìn)入相相應(yīng)的異異常模式式。在每每一種異異常模式式下都有有一組寄寄存器，供相應(yīng)應(yīng)的異常常處理程程序使用用，這樣樣就可以以保證在在進(jìn)入異異常模式式時(shí)，用用戶模式式下的寄寄存器不不被破壞壞。系統(tǒng)模式式并不是是通過(guò)異異常進(jìn)入入的，它它和用戶戶模式具具有完全全一樣的的寄存器器。但是是系統(tǒng)模模式屬于于特權(quán)模模式，可可以訪問(wèn)問(wèn)所有的的系統(tǒng)資資源，也也可以直直接進(jìn)行行處理器器模式切切換。它它主要供供操作系系統(tǒng)任務(wù)務(wù)使用。通常操操作系統(tǒng)統(tǒng)的任務(wù)務(wù)需要訪訪問(wèn)所有有的系統(tǒng)統(tǒng)資源，同時(shí)該該任務(wù)仍仍然使用用用戶模模式的寄寄存器組組

22、，而不不是使用用異常模模式下相相應(yīng)的寄寄存器組組，這樣樣可以保保證當(dāng)異異常中斷斷發(fā)生時(shí)時(shí)任務(wù)狀狀態(tài)不被被破壞。32ARM微處理器器的存儲(chǔ)儲(chǔ)器格式式ARM體系結(jié)構(gòu)構(gòu)所支持持的最大大尋址空空間為4GB（232字節(jié)）ARM微處理器器的存儲(chǔ)儲(chǔ)器格式式ARM體系結(jié)構(gòu)構(gòu)將存儲(chǔ)儲(chǔ)器看作作是從零零地址開(kāi)開(kāi)始的字字節(jié)的線線性組合合。從零零字節(jié)到到三字節(jié)節(jié)放置第第一個(gè)存存儲(chǔ)的字字?jǐn)?shù)據(jù)，從第四四個(gè)字節(jié)節(jié)到第七七個(gè)字節(jié)節(jié)放置第第二個(gè)存存儲(chǔ)的字字?jǐn)?shù)據(jù)，依次排排列。ARM體系結(jié)構(gòu)構(gòu)可以用用兩種方方法存儲(chǔ)儲(chǔ)字?jǐn)?shù)據(jù)據(jù)，稱之之為大端端格式和和小端格格式33ARM體系結(jié)構(gòu)構(gòu)的存儲(chǔ)儲(chǔ)器格式式大端格式式ARM微處理器器的存儲(chǔ)儲(chǔ)器格式

23、式在這種格格式中，字?jǐn)?shù)據(jù)據(jù)的高字字節(jié)存儲(chǔ)儲(chǔ)在低地地址中，而字?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)的低低字節(jié)則則存放在在高地址址中34ARM體系結(jié)構(gòu)構(gòu)的存儲(chǔ)儲(chǔ)器格式式小端格式式ARM微處理器器的存儲(chǔ)儲(chǔ)器格式式與大端存存儲(chǔ)格式式相反，在小端端存儲(chǔ)格格式中，低地址址中存放放的是字字?jǐn)?shù)據(jù)的的低字節(jié)節(jié)，高地地址存放放的是字字?jǐn)?shù)據(jù)的的高字節(jié)節(jié)35指令長(zhǎng)度度及數(shù)據(jù)據(jù)類(lèi)型ARM微處理器器的指令令長(zhǎng)度可可以是32位（在ARM狀態(tài)下），也可可以為16位（在Thumb狀態(tài)下）。ARM微處理器器的存儲(chǔ)儲(chǔ)器格式式ARM微處理器器中支持持字節(jié)（8位）、半半字（16位）、字字（32位）三種種數(shù)據(jù)類(lèi)類(lèi)型，其其中，字字需要4字節(jié)對(duì)齊齊（地址址的低兩兩位為0

24、）、半字字需要2字節(jié)對(duì)齊齊（地址址的最低低位為0）36非對(duì)齊的的存儲(chǔ)訪訪問(wèn)操作作在ARM中，如果果存儲(chǔ)單單元的地地址沒(méi)有有遵守對(duì)對(duì)齊規(guī)則則，則稱稱為非對(duì)對(duì)齊的存存儲(chǔ)訪問(wèn)問(wèn)操作。ARM微處理器器的存儲(chǔ)儲(chǔ)器格式式非對(duì)齊的的指令預(yù)預(yù)取操作作非對(duì)齊的的數(shù)據(jù)訪訪問(wèn)操作作37非對(duì)齊的的指令預(yù)預(yù)取操作作當(dāng)處理器器處于ARM狀態(tài)期間間，如果果寫(xiě)入到到寄存器器PC中的值是是非字對(duì)對(duì)齊的，要么指指令執(zhí)行行的結(jié)果果不可預(yù)預(yù)知，要要么地址址值中最最低兩位位被忽略略。ARM微處理器器的存儲(chǔ)儲(chǔ)器格式式當(dāng)處理器器處于THUMB狀態(tài)期間間，如果果寫(xiě)入到到寄存器器PC中的值是是非半字字對(duì)齊的的，要么么指令執(zhí)執(zhí)行的結(jié)結(jié)果不可可預(yù)

25、知，要么地地址值中中最低位位被忽略略。38非對(duì)齊的的數(shù)據(jù)訪訪問(wèn)操作作對(duì)于Load/Store操作，如如果是非非對(duì)齊的的數(shù)據(jù)訪訪問(wèn)操作作，系統(tǒng)統(tǒng)定義了了三種可可能的結(jié)結(jié)果：ARM微處理器器的存儲(chǔ)儲(chǔ)器格式式執(zhí)行的結(jié)結(jié)果不可可預(yù)知忽略字單單元地址址的低兩兩位的值值，即訪訪問(wèn)地址址為(addressAND0XFFFFFFFC)的字單元元；忽略略半字單單元地址址的最低低位的值值，即訪訪問(wèn)地址址為(addressAND0XFFFFFFFE)的半字單單元。忽略字單單元地址址的低兩兩位的值值；或忽忽略半字字單元地地址的最最低位的的值；由由存儲(chǔ)系系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)這種忽忽略。也也就是說(shuō)說(shuō)，這時(shí)時(shí)該地址址值原封封不動(dòng)地地

26、送到存存儲(chǔ)系統(tǒng)統(tǒng)。當(dāng)發(fā)生非非對(duì)齊的的數(shù)據(jù)訪訪問(wèn)時(shí)，到底采采用上述述三種方方法中的的哪一種種，是由由各指令令指定的的。39寄存器組組織ARM微處理器器共有37個(gè)32位寄存器器，其中中31個(gè)為通用用寄存器器，6個(gè)為狀態(tài)態(tài)寄存器器。但是是這些寄寄存器不不能被同同時(shí)訪問(wèn)問(wèn)，具體體哪些寄寄存器是是可編程程訪問(wèn)的的，取決決微處理理器的工工作狀態(tài)態(tài)及具體體的運(yùn)行行模式。但在任任何時(shí)候候，通用用寄存器器R14R0、程序計(jì)數(shù)數(shù)器PC、一個(gè)或兩兩個(gè)狀態(tài)態(tài)寄存器器都是可可訪問(wèn)的的。ARM微處理器器的寄存存器格式式40ARM狀態(tài)下的的寄存器器組織通用寄存存器：通通用寄存存器包括括R0R15，可以分為為三類(lèi)：未分組寄寄

27、存器R0R7分組寄存存器R8R14程序計(jì)數(shù)數(shù)器PC(R15)ARM微處理器器的寄存存器格式式41ARM狀狀態(tài)下的的寄存器器組織ARM微處理器器的寄存存器格式式42未分組寄寄存器R0R7ARM微處理器器的寄存存器格式式在所有的的運(yùn)行模模式下，未分組組寄存器器都指向向同一個(gè)個(gè)物理寄寄存器，他們未未被系統(tǒng)統(tǒng)用作特特殊的用用途，因因此，在在中斷或或異常處處理進(jìn)行行運(yùn)行模模式轉(zhuǎn)換換時(shí)，由由于不同同的處理理器運(yùn)行行模式均均使用相相同的物物理寄存存器，可可能會(huì)造造成寄存存器中數(shù)數(shù)據(jù)的破破壞，這這一點(diǎn)在在進(jìn)行程程序設(shè)計(jì)計(jì)時(shí)應(yīng)引引起注意意。43分組寄存存器R8R12ARM微處理器器的寄存存器格式式每次所訪訪問(wèn)的

28、物物理寄存存器與處處理器當(dāng)當(dāng)前的運(yùn)運(yùn)行模式式有關(guān)R8R12：每個(gè)寄存存器對(duì)應(yīng)應(yīng)兩個(gè)不不同的物物理寄存存器當(dāng)使用fiq模式時(shí)，訪問(wèn)寄寄存器R8_fiqR12_fiq；當(dāng)使用除除fiq模式以外外的其他他模式時(shí)時(shí)，訪問(wèn)問(wèn)寄存器器R8_usrR12_usr。44分組寄存存器R13R14ARM微處理器器的寄存存器格式式R13、R14：每個(gè)寄存存器對(duì)應(yīng)應(yīng)6個(gè)不同的的物理寄寄存器其中的一一個(gè)是用用戶模式式與系統(tǒng)統(tǒng)模式共共用，另另外5個(gè)物理寄寄存器對(duì)對(duì)應(yīng)于其其他5種不同的的運(yùn)行模模式采用以下下的記號(hào)號(hào)來(lái)區(qū)分分不同的的物理寄寄存器：R13_R14_mode為以下幾幾種之一一：usr、fiq、irq、svc、ab

29、t、und。45堆棧指針針R13ARM微處理器器的寄存存器格式式R13在ARM指令中常常用作堆堆棧指針針，但這這只是一一種習(xí)慣慣用法，用戶也也可使用用其他的的寄存器器作為堆堆棧指針針。在Thumb指令集中中，某些些指令強(qiáng)強(qiáng)制性的的要求使使用R13作為堆棧棧指針。由于處理理器的每每種運(yùn)行行模式均均有自己己獨(dú)立的的物理寄寄存器R13，在初始化化部分，都要初初始化每每種模式式下的R13，這樣，當(dāng)當(dāng)程序的的運(yùn)行進(jìn)進(jìn)入異常常模式時(shí)時(shí)，可以以將需要要保護(hù)的的寄存器器放入R13所指向的的堆棧，而當(dāng)程程序從異異常模式式返回時(shí)時(shí)，則從從對(duì)應(yīng)的的堆棧中中恢復(fù)。46子程序連連接寄存存器R14ARM微處理器器的寄存存

30、器格式式R14也稱作子子程序連連接寄存存器或連連接寄存存器LR。當(dāng)執(zhí)行BL子程序調(diào)調(diào)用指令令時(shí)，可可以從R14中得到R15（程序計(jì)數(shù)數(shù)器PC）的備份。其他情情況下，R14用作通用用寄存器器。在每一種種運(yùn)行模模式下，都可用用R14保存子程程序的返返回地址址，當(dāng)用用BL或BLX指令調(diào)用用子程序序時(shí)，將將下一條條指令的的地址值值拷貝給給R14，執(zhí)行完子子程序后后，又將將R14的值拷貝貝回PC，即可完成成子程序序的調(diào)用用返回。BLSUB1SUB1:STMFDSP!,LR/*將R14存入堆棧棧*/LDMFDSP！,PC/*完成子程程序返回回 */47程序計(jì)數(shù)數(shù)器PC(R15)ARM微處理器器的寄存存器格

31、式式ARM狀態(tài)下，位1:0為0，位31:2用于保存存PC；Thumb狀態(tài)下，位0為0，位31:1用于保存存PC；R15雖然也可可用作通通用寄存存器，但但一般不不這么使使用，因因?yàn)閷?duì)R15的使用有有一些特特殊的限限制，當(dāng)當(dāng)違反了了這些限限制時(shí)，程序的的執(zhí)行結(jié)結(jié)果是未未知的。由于ARM體系結(jié)構(gòu)構(gòu)采用了了多級(jí)流流水線技技術(shù)，對(duì)對(duì)于ARM指令集而而言，PC總是指向向當(dāng)前指指令的下下兩條指指令的地地址，即即PC的值為當(dāng)當(dāng)前指令令的地址址值加8個(gè)字節(jié)。48程序狀態(tài)態(tài)寄存器器(CPSR/SPSR)CPSR(當(dāng)前程序序狀態(tài)寄寄存器)，CPSR可在任何何運(yùn)行模式下下被訪問(wèn)問(wèn)，它包包括條件件標(biāo)志位位、中斷斷禁止位

32、位、當(dāng)前前處理器器模式標(biāo)標(biāo)志位，以及其其他一些些相關(guān)的的控制和和狀態(tài)位位。ARM微處理器器的寄存存器格式式每一種運(yùn)運(yùn)行模式式下又都都有一個(gè)個(gè)專(zhuān)用的的物理狀狀態(tài)寄存存器，稱稱為SPSR(備份的程程序狀態(tài)態(tài)寄存器器），異異常發(fā)生生時(shí)，SPSR用于保存存CPSR的值，從從異常退退出時(shí)則則可由SPSR來(lái)恢復(fù)CPSR。由于用戶戶模式和和系統(tǒng)模模式不屬屬于異常常模式，他們沒(méi)沒(méi)有SPSR，當(dāng)在這兩兩種模式式下訪問(wèn)問(wèn)SPSR，結(jié)果是未未知的。49Thumb狀態(tài)下的的寄存器器組織Thumb狀態(tài)下的的寄存器器集是ARM狀態(tài)下寄寄存器集集的一個(gè)個(gè)子集ARM微處理器器的寄存存器格式式程序可以以直接訪訪問(wèn)8個(gè)通用寄寄存

33、器（R7R0）、程序計(jì)數(shù)數(shù)器（PC）、堆棧指針針（SP）、連接寄存存器（LR）和CPSR。同樣，每每一種特特權(quán)模式式下都有有一組SP、LR和SPSR。50Thumb狀態(tài)下的的寄存器器組織圖圖ARM微處理器器的寄存存器格式式51Thumb狀態(tài)下的的寄存器器與ARM狀態(tài)下的的寄存器器關(guān)系A(chǔ)RM微處理器器的寄存存器格式式Thumb狀態(tài)下和和ARM狀態(tài)下的的R0R7是相同的的。Thumb狀態(tài)下和和ARM狀態(tài)下的的CPSR和所有的的SPSR是相同的的。Thumb狀態(tài)下的的SP對(duì)應(yīng)于ARM狀態(tài)下的的R13。Thumb狀態(tài)下的的LR對(duì)應(yīng)于ARM狀態(tài)下的的R14。Thumb狀態(tài)下的的程序計(jì)計(jì)數(shù)器對(duì)對(duì)應(yīng)于ARM

34、狀態(tài)下R15。52Thumb狀態(tài)下的的寄存器器與ARM狀態(tài)下的的寄存器器關(guān)系圖圖ARM微處理器器的寄存存器格式式53訪問(wèn)THUMB狀態(tài)下下的高位位寄存器器（Hi-registers）在Thumb狀態(tài)下，高位寄寄存器R8R15并不是標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)寄存存器集的的一部分分，但可可使用匯匯編語(yǔ)言言程序受受限制的的訪問(wèn)這這些寄存存器，將將其用作作快速的的暫存器器。ARM微處理器器的寄存存器格式式使用帶特特殊變量量的MOV指令，數(shù)數(shù)據(jù)可以以在低位位寄存器器和高位位寄存器器之間進(jìn)進(jìn)行傳送送；高位位寄存器器的值可可以使用用CMP和ADD指令進(jìn)行行比較或或加上低低位寄存存器中的的值。54程序狀態(tài)態(tài)寄存器器ARM微處理器

35、器的寄存存器格式式ARM體系結(jié)構(gòu)構(gòu)包含一一個(gè)當(dāng)前前程序狀狀態(tài)寄存存器（CPSR）和五個(gè)備備份的程程序狀態(tài)態(tài)寄存器器（SPSRs）。備份的程程序狀態(tài)態(tài)寄存器器用來(lái)進(jìn)進(jìn)行異常常處理，其功能能包括：保存ALU中的當(dāng)前前操作信信息控制允許許和禁止止中斷設(shè)置處理理器的運(yùn)運(yùn)行模式式55程序狀態(tài)態(tài)寄存器器的每一一位的安安排ARM微處理器器的寄存存器格式式56程序狀態(tài)態(tài)寄存器器的條件碼標(biāo)標(biāo)志N、Z、C、V均為條件件碼標(biāo)志志位。它它們的內(nèi)內(nèi)容可被被算術(shù)或或邏輯運(yùn)運(yùn)算的結(jié)結(jié)果所改改變，并并且可以以決定某某條指令令是否被被執(zhí)行ARM微處理器器的寄存存器格式式在ARM狀態(tài)下，絕大多多數(shù)的指指令都是是有條件件執(zhí)行的的。

36、在Thumb狀態(tài)下，僅有分分支指令令是有條條件執(zhí)行行的。57標(biāo)志位的的含義標(biāo)志位含 義N當(dāng)用兩個(gè)補(bǔ)碼表示的帶符號(hào)數(shù)進(jìn)行運(yùn)算時(shí)，N=1 表示運(yùn)算的結(jié)果為負(fù)數(shù)；N=0 表示運(yùn)算的結(jié)果為正數(shù)或零；ZZ=1 表示運(yùn)算的結(jié)果為零；Z=0表示運(yùn)算的結(jié)果為非零；C加法運(yùn)算結(jié)果進(jìn)位時(shí)，C=1，減法運(yùn)算借位時(shí)，C=0；移位操作的非加/減運(yùn)算指令，C為移出的最后一位；其他的非加/減運(yùn)算指令，C的值通常不改變。V加/減法運(yùn)算指令，V=1表示符號(hào)位溢出。對(duì)于其他的非加/減運(yùn)算指令，C的值通常不改變。Q在ARM v5及以上版本的E系列處理器中，Q標(biāo)志指示DSP運(yùn)算指令是否溢出。在其他版本中，Q標(biāo)志位無(wú)定義。ARM微處理

37、器器的寄存存器格式式58程序狀態(tài)態(tài)寄存器器的控制位狀態(tài)寄存存器的低低8位（I、F、T和M4：0）稱為控制制位，發(fā)發(fā)生異常常時(shí)這些些位可以以被改變變。如果果處理器器運(yùn)行特權(quán)模式式，這些位位也可以以由程序序修改。ARM微處理器器的寄存存器格式式中斷禁止止位I、F：I=1禁止IRQ中斷;F=1禁止FIQ中斷。T標(biāo)志位：該位反反映處理理器的運(yùn)運(yùn)行狀態(tài)態(tài)ARM體系結(jié)構(gòu)構(gòu)v5及以上的的版本的的T系列處理理器，當(dāng)當(dāng)該位為為1時(shí)，程序序運(yùn)行于于Thumb狀態(tài)，否否則運(yùn)行行于ARM狀態(tài)。ARM體系結(jié)構(gòu)構(gòu)v5及以上的的版本的的非T系列處理理器，當(dāng)當(dāng)該位為為1時(shí)，執(zhí)行行下一條條指令以以引起未未定義的的指令異異常；當(dāng)

38、當(dāng)該位為為0時(shí)，表示示運(yùn)行于于ARM狀態(tài)。運(yùn)行模式式位M4：0是模式位位，決定定處理器器的運(yùn)行行模式59處理器運(yùn)運(yùn)行模式式及可以以訪問(wèn)的的寄存器器M4：0處理器模式可訪問(wèn)的寄存器0b10000用戶模式PC，CPSR,R0-R140b10001FIQ模式PC，CPSR, SPSR_fiq，R14_fiq-R8_fiq, R7R00b10010IRQ模式PC，CPSR, SPSR_irq，R14_irq, R13_irq, R12R00b10011管理模式PC，CPSR, SPSR_svc，R14_svc, R13_svc, R12R0,0b10111中止模式PC，CPSR, SPSR_abt，R

39、14_abt,R13_abt, R12R0,0b11011未定義模式PC，CPSR, SPSR_und，R14_und, R13_und, R12R0,0b11111系統(tǒng)模式PC，CPSR（ARM v4及以上版本）, R14R0ARM微處理器器的寄存存器格式式60異常（Exceptions）當(dāng)正常的的程序執(zhí)執(zhí)行流程程發(fā)生暫暫時(shí)的停停止時(shí)，稱之為為異常，例如處處理一個(gè)個(gè)外部的的中斷請(qǐng)請(qǐng)求。在在處理異異常之前前，當(dāng)前前處理器器的狀態(tài)態(tài)必須保保留，這這樣當(dāng)異異常處理理完成之之后，當(dāng)當(dāng)前程序序可以繼繼續(xù)執(zhí)行行。處理理器允許許多個(gè)異異常同時(shí)時(shí)發(fā)生，它們將將會(huì)按固固定的優(yōu)優(yōu)先級(jí)進(jìn)進(jìn)行處理理。ARM異常處理

40、理ARM體系結(jié)構(gòu)構(gòu)中的異異常，與與8位/16位體系結(jié)結(jié)構(gòu)的中中斷有很很大的相相似之處處，但異異常與中中斷的概概念并不不完全等等同。61ARM體系結(jié)構(gòu)構(gòu)所支持持的異常常類(lèi)型異常類(lèi)型具體含義復(fù)位復(fù)位電平有效時(shí)，產(chǎn)生復(fù)位異常，程序跳轉(zhuǎn)到復(fù)位處理程序處執(zhí)行。未定義指令遇到不能處理的指令時(shí)，產(chǎn)生未定義指令異常。軟件中斷執(zhí)行SWI指令產(chǎn)生，用于用戶模式下的程序調(diào)用特權(quán)操作指令。指令預(yù)取中止處理器預(yù)取指令的地址不存在，或該地址不允許當(dāng)前指令訪問(wèn)，產(chǎn)生指令預(yù)取中止異常。數(shù)據(jù)中止處理器數(shù)據(jù)訪問(wèn)指令的地址不存在，或該地址不允許當(dāng)前指令訪問(wèn)時(shí)，產(chǎn)生數(shù)據(jù)中止異常。IRQ外部中斷請(qǐng)求有效，且CPSR中的I位為0時(shí)，產(chǎn)生

41、IRQ異常。FIQ快速中斷請(qǐng)求引腳有效，且CPSR中的F位為0時(shí)，產(chǎn)生FIQ異常。ARM異常處理理62對(duì)異常的的響應(yīng)ARM異常處理理當(dāng)一個(gè)異異常出現(xiàn)現(xiàn)以后，ARM微處理器器會(huì)執(zhí)行行以下幾幾步操作作將下一條條指令的的地址存存入相應(yīng)應(yīng)連接寄寄存器LR，以便程序序在處理理異常返返回時(shí)能能從正確確的位置置重新開(kāi)開(kāi)始執(zhí)行行。將CPSR復(fù)制到相相應(yīng)的SPSR中。根據(jù)異常常類(lèi)型，強(qiáng)制設(shè)設(shè)置CPSR的運(yùn)行模模式位。強(qiáng)制PC從相關(guān)的的異常向向量地址址取下一一條指令令執(zhí)行，從而跳跳轉(zhuǎn)到相相應(yīng)的異異常處理理程序處處。63R14_= ReturnLinkSPSR_=CPSRCPSR4:0=ExceptionModeN

42、umberCPSR5 =0If = Reset or FIQthenCPSR6 =1CPSR7 =1PC= ExceptionVectorAddress異常響應(yīng)應(yīng)偽代碼碼ARM異常處理理處理器處處于Thumb狀態(tài)，則則當(dāng)異常常向量地地址加載載入PC時(shí)，處理理器自動(dòng)動(dòng)切換到到ARM狀態(tài)。ARM微處理器器對(duì)異常常的響應(yīng)應(yīng)過(guò)程用用偽碼可可以描述述為：在ARM狀態(tài)下執(zhí)執(zhí)行禁止快速速中斷禁止正常常中斷轉(zhuǎn)入異常常入口地地址64從異常返回ARM異常處理理異常處理理完畢之之后，ARM微處理器器會(huì)執(zhí)行行以下幾幾步操作作從異常常返回：將連接寄寄存器LR的值減去去相應(yīng)的的偏移量量后送到到PC中。將SPSR復(fù)制回CP

43、SR中。若在進(jìn)入入異常處處理時(shí)設(shè)設(shè)置了中中斷禁止止位，要要在此清清除。可以認(rèn)為為應(yīng)用程程序總是是從復(fù)位位異常處處理程序序開(kāi)始執(zhí)執(zhí)行的，因此復(fù)復(fù)位異常常處理程程序不需需要返回回。65FIQ（FastInterruptRequest）FIQ異常是為為了支持持?jǐn)?shù)據(jù)傳傳輸或者者通道處處理而設(shè)設(shè)計(jì)的。ARM異常處理理若將CPSR的F位置為1，則會(huì)禁禁止FIQ中斷，若若將CPSR的F位清零，處理器器會(huì)在指指令執(zhí)行行時(shí)檢查查FIQ的輸入。注意只只有在特特權(quán)模式式下才能能改變F位的狀態(tài)態(tài)?？捎赏獠坎客ㄟ^(guò)對(duì)對(duì)處理器器上的nFIQ引腳輸入入低電平平產(chǎn)生FIQ。不管是在在ARM狀態(tài)還是是在Thumb狀態(tài)下進(jìn)進(jìn)入FI

44、Q模式，F(xiàn)IQ處理程序序均可以以執(zhí)行以以下指令令從FIQ模式返回回：SUBSPC,R14_fiq,#466IRQ（Interrupt Request）IRQ異常屬于于正常的的中斷請(qǐng)請(qǐng)求，可可通過(guò)對(duì)對(duì)處理器器的nIRQ引腳輸入入低電平平產(chǎn)生，IRQ的優(yōu)先級(jí)級(jí)低于FIQ，當(dāng)程序執(zhí)執(zhí)行進(jìn)入入FIQ異常時(shí)，IRQ可能被屏屏蔽。ARM異常處理理若將CPSR的I位置為1，則會(huì)禁禁止IRQ中斷，若若將CPSR的I位清零，處理器器會(huì)在指指令執(zhí)行行完之前前檢查IRQ的輸入。注意只只有在特特權(quán)模式式下才能能改變I位的狀態(tài)態(tài)。不管是在在ARM狀態(tài)還是是在Thumb狀態(tài)下進(jìn)進(jìn)入IRQ模式，IRQ處理程序序均可以以執(zhí)行以以下指令令從IRQ模