嵌入式系統(tǒng)設(shè)計復(fù)習(xí)總結(jié)-第3章-ARM體系結(jié)構(gòu)

第3章ARM體系結(jié)構(gòu)13245ARM處理器的寄存器組織ARM處理器的工作模式ARM版本架構(gòu)及微處理器系列6第三章ARM體系結(jié)構(gòu)ARM異常處理ARM處理器的工作狀態(tài)ARM處理器的存儲器格式ARM體系結(jié)構(gòu)各版本ARM體系結(jié)構(gòu)從最初開發(fā)到現(xiàn)在有了很大的改進(jìn)，并仍在完善和發(fā)展。為了清楚地表達(dá)每個ARM應(yīng)用實例所使用的指令集，ARM公司定義了7種主要的ARM指令集體系結(jié)構(gòu)版本，以版本號V1～V7表示。ARM微處理器系列ARM7系列ARM9系列ARM9E系列ARM10E系列SecurCore系列其中，ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10、ARM11為通用處理器系列，每一個系列提供一套相對獨特的性能來滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求。SecurCore系列專門為安全要求較高的應(yīng)用而設(shè)計。ARMCortex系列ARM11系列ARM微處理器系列ARMCortex處理器系列

包括了ARMv7架構(gòu)的所有系列，含有面向復(fù)雜操作系統(tǒng)、實時的和微控制器應(yīng)用的多種處理器。ARMCortex-M系列支持Thumb-2指令集，它是Thumb指令集的擴(kuò)展集，可以執(zhí)行所有已存的為早期的處理器編寫的代碼。在命名方式上，基于ARMv7架構(gòu)的ARM處理器已經(jīng)不再延用過去的數(shù)字命名方式，而是冠以Cortex的代號?；趘7A的稱為"Cortex-A系列"，基于v7R的稱為"Cortex-R系列"，基于v7M的稱為"Cortex-M3"。ARMCortex-A系列是針對日益增長的，運行包括IOS、Android、Linux、WindowsCE和Symbian等操作系統(tǒng)的消費者娛樂和無線產(chǎn)品設(shè)計的；ARMCortex-R系列針對的是需要運行實時操作系統(tǒng)來進(jìn)行控制應(yīng)用的系統(tǒng)，包括有汽車電子、網(wǎng)絡(luò)和影像系統(tǒng)；ARMCortex-M系列則是為那些對開發(fā)費用非常敏感同時對性能要求不斷增加的嵌入式應(yīng)用所設(shè)計的。

ARMCortex-M3討論題：ARM處理器應(yīng)用選型（1/5）ARM微處理器有多達(dá)十幾種內(nèi)核結(jié)構(gòu)、幾十個芯片生產(chǎn)廠家以及千變?nèi)f化的內(nèi)部功能配置組合；開發(fā)人員應(yīng)如何選擇？討論題：ARM處理器應(yīng)用選型（2/5）

1、系統(tǒng)的工作頻率系統(tǒng)的工作頻率在很大程度上決定了處理器的處理能力；ARM7系列：0.9MIPS/MHz，主頻：20~133MHz；ARM9系列：1.1MIPS/MHz，主頻：100~233MHz；ARM10最高可達(dá)700MHzARM11在1GHz以上討論題：ARM處理器應(yīng)用選型（3/5）

2、芯片內(nèi)存儲器的容量大多數(shù)的ARM微處理器片內(nèi)容量都不大，需要用戶在設(shè)計系統(tǒng)時外擴(kuò)存儲器；討論題：ARM處理器應(yīng)用選型（4/5）

3、片內(nèi)外圍電路的選擇ARM芯片根據(jù)各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域，擴(kuò)展相關(guān)的功能模塊，集成在芯片中，稱之為片內(nèi)外圍電路；如：USB接口、IIS接口、LCD控制器、鍵盤接口、ADC和DAC等等；討論題：ARM處理器應(yīng)用選型（5/5）

4、目標(biāo)系統(tǒng)是否使用操作系統(tǒng)WindowsCE、Linux；需要選擇ARM720T以上，帶有MMU功能，如ARM920T、ARM922T、StrongARM；而ARM7TDMI沒有MMU。ucLinux、uC/OS-II不需要MMU支持，可以運行于ARM7TDMI硬件平臺5、芯片性價比；開發(fā)熟悉度等13245ARM處理器的寄存器組織ARM處理器的工作模式ARM版本架構(gòu)及微處理器系列6第三章ARM體系結(jié)構(gòu)ARM異常處理ARM處理器的存儲器格式ARM處理器的工作狀態(tài)存儲器部件的分類按在系統(tǒng)中的地位分類：

（1）主存儲器(MainMemory,簡稱內(nèi)存或主存)（2）輔助存儲器(AuxiliaryMemory,SecondaryMemory,簡稱輔存或外存)

按存儲介質(zhì)分類：（1）磁存儲器(MagneticMemory)，（2）半導(dǎo)體集成電路存儲器(通常稱為半導(dǎo)體存儲器)，（3）光存儲器(OpticalMemory)，按信息存取方式分類：（1）隨機(jī)存取存儲器RAM（2）只讀存儲器ROM常用的存儲器隨機(jī)存儲器（RAM）

（1）靜態(tài)隨機(jī)存儲器（SRAM）（2）動態(tài)隨機(jī)存儲器（DRAM）

只讀存儲器（ROM），它在嵌入式系統(tǒng)中非常有用，因為許多代碼或數(shù)據(jù)不隨時間改變。

（1）工廠編程的只讀存儲器（2）現(xiàn)場可編程只讀存儲器

存儲器層次結(jié)構(gòu)存儲層次中，層次結(jié)構(gòu)個部分的特點是：每位價格從上往下依次減少；存儲容量從上往下依次增加；存取速度從上往下依次減慢；④CPU的訪問頻度從上往下依次減少。存儲器層次結(jié)構(gòu)3.2ARM編程模型3.2.1ARM存儲數(shù)據(jù)類型六種數(shù)據(jù)類型：（1）Byte：8位有符號和無符號字節(jié)。（2）Halfword：16位有符號和無符號半字。（3）Word: 32位有符號和無符號字。

其中，字需要4字節(jié)對齊、半字需要2字節(jié)對齊,單字節(jié)的沒有這個問題，就不用考慮了。1112342一條ARM指令是（32位、4個字節(jié)、1個字）3.2ARM編程模型3.2.1ARM存儲器格式ARM32位體系結(jié)構(gòu)所支持的最大尋址空間為4GB（232字節(jié)）ARM體系結(jié)構(gòu)將存儲器看作是從零地址開始的字節(jié)的線性組合。從零字節(jié)到三字節(jié)放置第一個存儲的字?jǐn)?shù)據(jù)，從第四個字節(jié)到第七個字節(jié)放置第二個存儲的字?jǐn)?shù)據(jù)，依次排列。3.2ARM編程模型ARM體系結(jié)構(gòu)可以用兩種方法存儲字?jǐn)?shù)據(jù)，稱之為大端格式和小端格式

數(shù)據(jù)存儲格式有兩種：

（1）大端模式：較高的有效字節(jié)存放在較低的存儲器地址，較低的有效字節(jié)存放在較高的存儲器地址。（2）小端模式：較高的有效字節(jié)存放在較高的存儲器地址，較低的有效字節(jié)存放在較低的存儲器地址。

大端存儲模式

小端存儲模式（缺省）課堂練習(xí)A.小端存儲法(0x01234567)地址0x80000x80010x80020x8003數(shù)據(jù)（16進(jìn)制表示）數(shù)據(jù)（二進(jìn)制表示）B.大端存儲法地址0x80000x80010x80020x8003數(shù)據(jù)（16進(jìn)制表示）數(shù)據(jù)（二進(jìn)制表示）將數(shù)據(jù)0x01234567分別按照大、小端的存儲方式存儲到起始地址為0x8000的存儲空間內(nèi)，并寫出對應(yīng)的二進(jìn)制表示方式。習(xí)題答案A.小端存儲法地址0x80000x80010x80020x8003數(shù)據(jù)（16進(jìn)制表示）0x670x450x230x01數(shù)據(jù)（二進(jìn)制表示）01100111010001010010001100000001B.大端存儲法地址0x80000x80010x80020x8003數(shù)據(jù)（16進(jìn)制表示）0x010x230x450x67數(shù)據(jù)（二進(jìn)制表示）00000001001000110100010101100111(0x01234567)13245ARM處理器的寄存器組織ARM處理器的工作模式ARM版本架構(gòu)及微處理器系列6第三章ARM體系結(jié)構(gòu)ARM異常處理ARM處理器的工作狀態(tài)ARM處理器的存儲器格式3.2ARM編程模型3.2.2ARM處理器工作狀態(tài)13245ARM處理器的寄存器組織ARM處理器的工作狀態(tài)ARM版本架構(gòu)及微處理器系列6第三章ARM體系結(jié)構(gòu)ARM異常處理ARM處理器的工作模式ARM處理器的存儲器格式處理器模式說明備注

用戶(usr)正常程序執(zhí)行模式不能直接切換到其它模式

系統(tǒng)(sys)運行操作系統(tǒng)的特權(quán)任務(wù)與用戶模式類似，但具有可以直接切換到其它模式等特權(quán)

快中斷(fiq)支持高速數(shù)據(jù)傳輸及通道處理FIQ異常響應(yīng)時進(jìn)入此模式

中斷(irq)用于通用中斷處理IRQ異常響應(yīng)時進(jìn)入此模式

管理(svc)操作系統(tǒng)保護(hù)模式系統(tǒng)復(fù)位和軟件中斷響應(yīng)時進(jìn)入此模式

中止(abt)用于支持虛擬內(nèi)存和/或存儲器保護(hù)在ARM7TDMI沒有大用處

未定義(und)支持硬件協(xié)處理器的軟件仿真未定義指令異常響應(yīng)時進(jìn)入此模式ARM處理器有7種工作模式3.2.3ARM處理器工作模式特權(quán)模式處理器模式說明備注

用戶(usr)正常程序工作模式不能直接切換到其它模式

系統(tǒng)(sys)用于支持操作系統(tǒng)的特權(quán)任務(wù)等與用戶模式類似，但具有可以直接切換到其它模式等特權(quán)

快中斷(fiq)支持高速數(shù)據(jù)傳輸及通道處理FIQ異常響應(yīng)時進(jìn)入此模式

中斷(irq)用于通用中斷處理IRQ異常響應(yīng)時進(jìn)入此模式

管理(svc)操作系統(tǒng)保護(hù)代碼系統(tǒng)復(fù)位和軟件中斷響應(yīng)時進(jìn)入此模式

中止(abt)用于支持虛擬內(nèi)存和/或存儲器保護(hù)在ARM7TDMI沒有大用處

未定義(und)支持硬件協(xié)處理器的軟件仿真未定義指令異常響應(yīng)時進(jìn)入此模式除用戶模式外，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)計上只允許（或者可選為只允許）特權(quán)模式下訪問。此外，特權(quán)模式可以自由的切換處理器模式，而用戶模式不能直接切換到別的模式。特權(quán)模式中，除系統(tǒng)模式外，其他5種模式又稱為異常模式

未定義(und)

中止(abt)

管理(svc)

中斷(irq)

快中斷(fiq)

系統(tǒng)(sys)3.2.3ARM處理器工作模式用戶和系統(tǒng)模式處理器模式說明備注

用戶(usr)正常程序工作模式不能直接切換到其它模式

系統(tǒng)(sys)用于支持操作系統(tǒng)的特權(quán)任務(wù)等與用戶模式類似，但具有可以直接切換到其它模式等特權(quán)

快中斷(fiq)支持高速數(shù)據(jù)傳輸及通道處理FIQ異常響應(yīng)時進(jìn)入此模式

中斷(irq)用于通用中斷處理IRQ異常響應(yīng)時進(jìn)入此模式

管理(svc)操作系統(tǒng)保護(hù)代碼系統(tǒng)復(fù)位和軟件中斷響應(yīng)時進(jìn)入此模式

中止(abt)用于支持虛擬內(nèi)存和/或存儲器保護(hù)在ARM7TDMI沒有大用處

未定義(und)支持硬件協(xié)處理器的軟件仿真未定義指令異常響應(yīng)時進(jìn)入此模式

這兩種模式都不能由異常進(jìn)入，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，不受用戶模式的限制。操作系統(tǒng)在該模式下訪問用戶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)可以使用這個模式訪問一些受控的資源。

系統(tǒng)(sys)

用戶(usr)3.2.3ARM處理器工作模式13245ARM處理器的寄存器組織ARM處理器的工作模式ARM版本架構(gòu)及微處理器系列6第三章ARM體系結(jié)構(gòu)ARM異常處理ARM處理器的工作狀態(tài)ARM處理器的存儲器格式37個寄存器：31個通用寄存器，包括程序計數(shù)器PC，32位的寄存器；6個狀態(tài)寄存器，也是32位寄存器，但只使用了12位。不分組8個分組22個PC1個2組10個6組12個狀態(tài)6個通用31個，包括R0～R15CPSRCPSRCPSRCPSRCPSRSPSRSPSRSPSRSPSRSPSRSPLRPC3.2.4ARM處理器寄存器組織寄存器均為32位，分成7組，各工作模式擁有自己的寄存器組，只能訪問自己的寄存器組。有些寄存器是重疊的，有些是工作模式特有的。在不同的工作模式和處理器狀態(tài)下，程序員可以訪問的寄存器不盡相同。但是這些寄存器不能被同時訪問，具體哪些寄存器是可編程訪問的，取決微處理器的工作狀態(tài)及具體的運行模式。但在任何時候，通用寄存器R14～R0、程序計數(shù)器PC、一個或兩個狀態(tài)寄存器都是可訪問的。

未分組寄存器R0～R7分組寄存器R8～R14程序計數(shù)器PC(R15)通用寄存器：通用寄存器包括R0～R15，可以分為三類：未分組寄存器R0～R7分組寄存器R8～R14程序計數(shù)器PC(R15)3.2.4ARM處理器寄存器組織堆棧指針—R13R13在ARM指令中常用作堆棧指針，但這只是一種習(xí)慣用法，用戶也可使用其他的寄存器作為堆棧指針。在Thumb指令集中，某些指令強(qiáng)制性的要求使用R13作為堆棧指針。由于處理器的每種運行模式均有自己獨立的物理寄存器R13，在初始化部分，都要初始化每種模式下的R13，這樣，當(dāng)程序的運行進(jìn)入異常模式時，可以將需要保護(hù)的寄存器放入R13所指向的堆棧，而當(dāng)程序從異常模式返回時，則從對應(yīng)的堆棧中恢復(fù)。

3.2.4ARM處理器寄存器組織子程序連接寄存器（LR）—R14R14也稱作子程序連接寄存器或連接寄存器LR。當(dāng)執(zhí)行BL子程序調(diào)用指令時，可以從R14中得到R15（程序計數(shù)器PC）的備份。其他情況下，R14用作通用寄存器。在每一種運行模式下，都可用R14保存子程序的返回地址，當(dāng)用BL或BLX指令調(diào)用子程序時，將PC的當(dāng)前值拷貝給R14，執(zhí)行完子程序后，又將R14的值拷貝回PC，即可完成子程序的調(diào)用返回。

BL SUB1 …… SUB1: STMFD SP!,{<regs>,LR}/*將R14存入堆棧*/ …… LDMFD SP！,{<regs>,PC}/*完成子程序返回*/3.2.4ARM處理器寄存器組織程序計數(shù)器PC(R15)ARM狀態(tài)下，位[1:0]為0，位[31:2]用于保存PC；Thumb狀態(tài)下，位[0]為0，位[31:1]用于保存PC；R15雖然也可用作通用寄存器，但一般不這么使用，因為對R15的使用有一些特殊的限制，當(dāng)違反了這些限制時，程序的執(zhí)行結(jié)果是未知的。由于ARM體系結(jié)構(gòu)采用了多級流水線技術(shù)，對于ARM指令集而言，PC總是指向當(dāng)前指令的下兩條指令（每個指令占32位4字節(jié)）的地址，即PC的值為當(dāng)前指令的地址值加8個字節(jié)。3.2.4ARM處理器寄存器組織程序狀態(tài)寄存器(CPSR/SPSR)寄存器R16用作CPSR(當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器)，CPSR可在任何運行模式下被訪問，它包括條件標(biāo)志位、中斷禁止位、當(dāng)前處理器模式標(biāo)志位，以及其他一些相關(guān)的控制和狀態(tài)位。每一種運行模式下又都有一個專用的物理狀態(tài)寄存器，稱為SPSR（備份的程序狀態(tài)寄存器），異常發(fā)生時，SPSR用于保存CPSR的值，從異常退出時則可由SPSR來恢復(fù)CPSR。由于用戶模式和系統(tǒng)模式不屬于異常模式，他們沒有SPSR，當(dāng)在這兩種模式下訪問SPSR，結(jié)果是未知的。3.2.4ARM處理器寄存器組織程序狀態(tài)寄存器NZCV——IM0M1M2M3M4TF—...313029282726876543210條件代碼標(biāo)志保留控制位溢出標(biāo)志進(jìn)位或借位擴(kuò)展零負(fù)或小于IRQ禁止FIQ禁止?fàn)顟B(tài)位模式位NZCVITFCPSR寄存器的格式

大多數(shù)“數(shù)值處理指令”可以選擇是否影響條件代碼標(biāo)志位（指令帶S后綴）；但有些指令執(zhí)行總是影響條件代碼標(biāo)志。所有ARM指令都可按條件來執(zhí)行，而Thumb指令中只有分支指令可按條件執(zhí)行。

運算結(jié)果的最高位反映在該標(biāo)志位。對于有符號二進(jìn)制補(bǔ)碼，結(jié)果為負(fù)數(shù)時N=1，結(jié)果為正數(shù)或零時N=0；

指令結(jié)果為0時Z=1（表示比較結(jié)果“相等”），否則Z=0；

當(dāng)進(jìn)行加法運算，并且最高位產(chǎn)生進(jìn)位時C=1，否則C=0。當(dāng)進(jìn)行減法運算，并且最高位產(chǎn)生借位時C=0，否則C=1。對于移位操作指令，C為從最高位最后移出的值，其它指令C通常不變；當(dāng)進(jìn)行加法/減法運算，并且發(fā)生有符號溢出時V=1，否則V=0，其它指令V通常不變。

最低8位為控制位，當(dāng)發(fā)生異常時，這些位被硬件改變。當(dāng)處理器處于一個特權(quán)模式時，可用軟件操作這些位。

保留位被保留將來使用。為了提高程序的可移植性，當(dāng)改變CPSR標(biāo)志和控制位時，請不要改變這些保留位。另外，請確保您程序的運行不受保留位的值影響，因為將來的處理器可能會將這些位設(shè)置為1或者0。

Thumb狀態(tài)下的寄存器組織

Thumb狀態(tài)下的寄存器集是ARM狀態(tài)下寄存器集的一個子集程序可以直接訪問8個通用寄存器（R7～R0）、程序計數(shù)器（PC）、堆棧指針（SP）、連接寄存器（LR）和CPSR。同樣，每一種特權(quán)模式下都有一組SP、LR和SPSR。

3.2.4ARM處理器寄存器組織13245ARM處理器的寄存器組織ARM處理器的工作模式ARM版本架構(gòu)及微處理器系列6第三章ARM體系結(jié)構(gòu)ARM異常處理ARM處理器的工作狀態(tài)ARM處理器的存儲器格式3.2.5ARM處理器的異常處理當(dāng)正常的程序執(zhí)行流程發(fā)生暫時的停止時，稱之為異常，例如處理一個外部的中斷請求。在處理異常之前，當(dāng)前處理器的狀態(tài)必須保留，這樣當(dāng)異常處理完成之后，當(dāng)前程序可以繼續(xù)執(zhí)行。處理器允許多個異常同時發(fā)生，它們將會按固定的優(yōu)先級進(jìn)行處理。異常（Exceptions）

ARM體系結(jié)構(gòu)中的異常，與8位/16位體系結(jié)構(gòu)的中斷有很大的相似之處，但異常與中斷的概念并不完全等同。

3.2.5ARM處理器的異常處理ARM共有7種類型的異常，不同類型的異常將導(dǎo)致處理器進(jìn)入不同的工作模式，并執(zhí)行不同特定地址的指令。ARM體系結(jié)構(gòu)所支持的異常類型

異常類型具體含義復(fù)位復(fù)位電平有效時，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，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，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)訪問指令的地址不存在，或該地址不允許當(dāng)前指令訪問時，產(chǎn)生數(shù)據(jù)中止異常。IRQ外部中斷請求有效，且CPSR中的I位為0時，產(chǎn)生IRQ異常。FIQ快速中斷請求引腳有效，且CPSR中的F位為0時，產(chǎn)生FIQ異常。3.2.5ARM處理器的異常處理異常中斷的優(yōu)先級

異常類型優(yōu)先級復(fù)位1（最高優(yōu)先級）數(shù)據(jù)中止2FIQ3IRQ4預(yù)取中止5未定義指令6SWI６（最低優(yōu)先級）3.2.5ARM處理器的異常處理地址異常進(jìn)入模式0x0000,0000復(fù)位管理模式0x0000,0004未定義指令未定義模式0x0000,0008軟件中斷管理模式0x0000,000C中止（預(yù)取指令）中止模式PABT0x0000,0010