第2章 ARM處理器基礎(chǔ)

第2章ARM處理器基礎(chǔ)2/5/2023教學(xué)要點(diǎn)ARM簡(jiǎn)介ARM處理器的分類流水線（pipeline）模式（model）和寄存器異常和異常向量表存儲(chǔ)和I/OAHBA總線ARM指令系統(tǒng)1ARM簡(jiǎn)介1.1ARM公司和ARM處理器1）ARM是一個(gè)CPU內(nèi)核。ARM公司自己并不生產(chǎn)或銷售芯片，它采用技術(shù)授權(quán)模式，通過(guò)出售芯片技術(shù)授權(quán)，收取授權(quán)費(fèi)和技術(shù)轉(zhuǎn)讓費(fèi)。 2）基于ARM內(nèi)核的處理器是目前消費(fèi)類電 子市場(chǎng)中占有量第一的處理器，尤其是 手機(jī)行業(yè)。 3）ARM是“AdvancedRISCMachine” 的縮寫(xiě)，最早的ARM處理器誕生于 80年代的英國(guó)。知識(shí)產(chǎn)權(quán)：產(chǎn)品、規(guī)劃和路線圖CPUs從ARMv4T到ARMv6

結(jié)構(gòu)體系A(chǔ)RM系統(tǒng)級(jí)IP和設(shè)計(jì)方法AMBAReferencemethodologies軟件IPMediaengines-Move?,Swerve3D?先進(jìn)技術(shù)Java,security,multiprocessor軟件開(kāi)發(fā)工具RealView?-開(kāi)發(fā)工具和平臺(tái)ARM處理器的使用量ARM20031.2ARM處理器的特點(diǎn)支持CACHE和MMU馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)/哈佛體系結(jié)構(gòu)RISC指令集固定的32位指令Load/Store體系結(jié)構(gòu)大多數(shù)指令單周期完成流水線執(zhí)行Thumb\DSP\jazeller功能擴(kuò)展低功耗支持CACHE和MMU為什么采用高速緩存（Cache）？微處理器的時(shí)鐘頻率比內(nèi)存速度提高快得多，高速緩存可以提高內(nèi)存的平均性能。高速緩存的工作原理：高速緩存是一種小型、快速的存儲(chǔ)器，它保存部分主存內(nèi)容的拷貝。CPU高速緩存控制器CACHE主存數(shù)據(jù)高速數(shù)據(jù)地址寫(xiě)緩沖器塊數(shù)據(jù)MMU(MemoryManagementUnit)虛實(shí)地址變換內(nèi)存地址訪問(wèn)保護(hù)支持CACHE和MMU指令寄存器控制器數(shù)據(jù)通道輸入輸出中央處理器存儲(chǔ)器程序指令0指令1指令2指令3指令4數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)0數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2ARM7馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)模型1）數(shù)據(jù)與指令都存儲(chǔ)在同一存儲(chǔ)區(qū)中，取指令與取數(shù)據(jù)利用同一數(shù)據(jù)總線。2）被早期大多數(shù)計(jì)算機(jī)所采用3）ARM7——馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但速度較慢。取指不能同時(shí)取數(shù)據(jù)。馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)模型指令寄存器控制器數(shù)據(jù)通道輸入輸出中央處理器程序存儲(chǔ)器指令0指令1指令2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)0數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2地址指令地址數(shù)據(jù)ARM9+哈佛體系結(jié)構(gòu)模型1）程序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開(kāi)2）提供了較大的存儲(chǔ)器帶寬，各自有自己的總線3）適合于數(shù)字信號(hào)處理4）大多數(shù)DSP都是哈佛結(jié)構(gòu)5）ARM9是哈佛結(jié)構(gòu)取指和取數(shù)在同一周期進(jìn)行，提高速度。哈佛體系結(jié)構(gòu)模型RISC與CISCRISC和CISC是目前設(shè)計(jì)制造微處理器的兩種典型技術(shù)，雖然它們都是試圖在體系結(jié)構(gòu)、操作運(yùn)行、軟件硬件、編譯時(shí)間和運(yùn)行時(shí)間等諸多因素中做出某種平衡，以求達(dá)到高效的目的，但采用的方法不同，因此，在很多方面差異很大，它們主要有：CISC：復(fù)雜指令集（ComplexInstructionSetComputer）具有大量的指令和尋址方式8/2原則：80%的程序只使用20%的指令大多數(shù)程序只使用少量的指令就能夠運(yùn)行CISCCPU包含有豐富的單元電路，因而功能強(qiáng)、面積大、功耗大RISC：精簡(jiǎn)指令集（ReducedInstructionSetComputer)在通道中只包含最有用的指令確保數(shù)據(jù)通道快速執(zhí)行每一條指令使CPU硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變得更為簡(jiǎn)單

RISCCPU包含較少的單元電路，因而面積小、功耗低RISC與CISCCISCIFIDREGALUMEM開(kāi)始退出IFIDALUMEMREG微操作通道開(kāi)始退出單通數(shù)據(jù)通道RISC流水線操作流水線技術(shù)：幾個(gè)指令可以并行執(zhí)行提高了CPU的運(yùn)行效率內(nèi)部信息流要求通暢流動(dòng)譯碼取指執(zhí)行add譯碼取指執(zhí)行sub譯碼取指執(zhí)行cmp時(shí)間AddSubCmpARMRISC體系結(jié)構(gòu)1.4命名的含義標(biāo)志含義說(shuō)明T支持Thumb指令集Thumb指令集版本1：ARMv4TThumb指令集版本2：ARMv5TThumb-2：ARMv6TD片上調(diào)試M支持長(zhǎng)乘法32位乘32位得到64位，32位的乘加得到64位IEmbeddedICEEDSP指令增加了DSP算法處理器指令：16位乘加指令，飽和的帶符號(hào)數(shù)的加減法，雙字?jǐn)?shù)據(jù)操作，cache預(yù)取指令JJava加速器Jazelle提高java代碼的運(yùn)行速度S可綜合提供VHDL或Verilog語(yǔ)言設(shè)計(jì)文件ARMprocessor’snameARM926EJ-SFamilynumber7:ARM79:ARM910:ARM1011:ARM11Memorysystem

2:Cache,MMU,ProcessID4:Cache,MPU6:Writebuffer,nocacheMemorysize0:Cachesize(4-128KB)2:Reducedcachesize6:TCMSynthesizableExtensions

E:DSPextensionJ:Jazelleextension

T:Thumbsupport…2ARM處理器的分類基于處理器內(nèi)核的分類ARM7T，ARM7E，ARM9，ARM9E，ARM10T，ARM10E，ARM11基于指令集體系結(jié)構(gòu)的分類v4T，v5T，v5TE，v5TEJ，v62.1ARMCore（ARM核）處理器核/整數(shù)核(ProcessorCore/IntegerCore)：ARM7TDMI,ARM9TDMI,ARM9E-S，ARM10TDMI，ARM10E等。ARMCPU核(ARMCPUCores)：

ARM710T/720T/740T,ARM920T/940T,ARM946E-S,ARM966E-S,ARM1020E等?；贏RMCoreCPU的應(yīng)用處理器，比如：Intel的PXA25x，Philip的lpc22xx系列，Samsung的S3C44B0等。ARM7T和ARM7EFamilyUnifiedCache內(nèi)存管理流水線級(jí)別ThumbDSPJazelleARM7TDMI無(wú)無(wú)3有無(wú)無(wú)ARM7TDMI-S無(wú)無(wú)3有無(wú)無(wú)ARM710T/720T8kMMU3有無(wú)無(wú)ARM740T8k或4kProtectionUnit3有無(wú)無(wú)ARM7EJ-S無(wú)無(wú)3有有有ARM7系列的升級(jí)EmbeddedTraceMacrocell----ETMARM9FamilyCache內(nèi)存管理流水線級(jí)別ThumbDSPJazelleARM9TDMI無(wú)無(wú)5有無(wú)無(wú)ARM920T16K/16kMMU5有無(wú)無(wú)ARM922T8k/8kMMU5有無(wú)無(wú)ARM940T4k/4kProtectionUnit5有無(wú)無(wú)ARM9系列的升級(jí)ARM9EFamilyCache內(nèi)存管理流水線級(jí)別ThumbDSPJazelleARM9E-S無(wú)無(wú)5有有無(wú)ARM946E-S4k-1M/4k-1MProtectionUnit5有有無(wú)ARM966E-S無(wú)無(wú)5有有無(wú)ARM968E-S無(wú)無(wú)5有有無(wú)ARM9EJ-S無(wú)無(wú)5/6有有有ARM926EJ-S14k-128k/4k-128kMMU5/6有有有ARM9E系列的升級(jí)ARM926EJ-SARM946E-SARM966E-SARM10E和ARM10TFamilyARM10EJ-S無(wú)無(wú)6有有有ARM1026EJ-S0,4-128k/0,4-128kMMU6有有有Cache內(nèi)存管理流水線級(jí)別ThumbDSPJazelleARM10E無(wú)無(wú)6有有無(wú)ARM1020E32k/32kMMU6有有無(wú)ARM1022E16k/16kMMU6有有無(wú)ARM10TDMI無(wú)無(wú)6有無(wú)無(wú)ARM1020T32k/32kMMU6有無(wú)無(wú)ARM11FamilyCache內(nèi)存管理流水線級(jí)別ThumbDSPJazelle浮點(diǎn)運(yùn)算ARM1136J-S4-64kMMU8有有有無(wú)ARM1136JF-S4-64kMMU8有有有有ARM1156T2-S可配置9Thumb-2有無(wú)無(wú)ARM1156T2F-S可配置9Thumb-2有無(wú)有StrongARM和XScaleSA-1110（基于StrongARM）內(nèi)核SA-116kI-Cache+8kD-CacheI-MMU+D-MMUPXA25x/26x/27xIXP2400(基于XScale)內(nèi)核XScale7/8級(jí)流水線32kI-Cache+32kD-CacheI-MMU+D-MMU2.2指令集體系結(jié)構(gòu)（ISA）ThumbDSPJazelleMediaTrustZoneThumb-2v4StrongARMv4T*ARM7T,ARM9v5T*ARM10T，XScalev5TE**ARM9E,ARM10Ev5TEJ***ARM7EJ,ARM9EJ,ARM10EJv6****ARM1136J(F)-Sv6Z*****v6T2*****ARM1156T2(F)-S注：v5T支持的Thumb是對(duì)v4T中的Thumb的擴(kuò)展指令集體系結(jié)構(gòu)流水線方式是把一個(gè)重復(fù)的過(guò)程分解為若干個(gè)子過(guò)程，每個(gè)子過(guò)程可以與其他子過(guò)程同時(shí)進(jìn)行。由于這種工作方式與工廠中的生產(chǎn)流水線十分相似，因此，把它稱為流水線工作方式。3流水線3.1ARM7的流水線指令流水線的目的是提高執(zhí)行速度。PC指向的是預(yù)取指令，因此如果直接讀取PC值，得到的是“當(dāng)前指令地址+8”從內(nèi)存中取指令指令譯碼執(zhí)行指令/讀寫(xiě)REG指令流水線的目的是提高執(zhí)行速度。PC指向的是預(yù)取指令，因此如果直接讀取PC值，得到的是并不是當(dāng)前正在執(zhí)行的指令地址。CUP中的一條指令的執(zhí)行可以分若干個(gè)階段：1.取指，從存儲(chǔ)器中取出指令（fetch）2.譯碼，指令譯碼（dec）3.取操作數(shù)，假定操作數(shù)從寄存器組中?。╮eg）4.執(zhí)行運(yùn)算（ALU）5.存儲(chǔ)器訪問(wèn)（mem）6.結(jié)果寫(xiě)回寄存器（res）各個(gè)階段的操作相對(duì)都是獨(dú)立的。因此，可以采用流水線的重疊技術(shù)，可以大大提高系統(tǒng)的性能。指令流水線ARM7TDMIProcessorCore馮·諾依曼

架構(gòu)三級(jí)流水線快速中斷響應(yīng)性能指標(biāo):0.9DhrystoneMIPs/MHzEmbedded

ICE-RT調(diào)試邏輯NomemorymanagementNocacheCPI=1.9

使用最廣泛的32位嵌入式內(nèi)核主要應(yīng)用領(lǐng)域:個(gè)人音頻設(shè)備手機(jī)和移動(dòng)通信終端Modems,xDSL,CableModemsATMandEthernet網(wǎng)絡(luò)設(shè)備打印機(jī)數(shù)碼相機(jī)PDA機(jī)頂盒ARM7內(nèi)核使用3級(jí)流水線，以提高指令流傳遞給處理器的速度，使得某些操作達(dá)到并行處理的效果，比單純的串行處理要好。PC指向處于指令讀取級(jí)的指令地址，而不是處于執(zhí)行級(jí)的指令地址。FETCHDECODEEXECUTE從存儲(chǔ)器讀取指令譯碼讀寄存器移位和算術(shù)邏輯運(yùn)算寫(xiě)寄存器PC PCPC-4 PC-2PC-8 PC-4ARM Thumb指令流水線本例中6個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)一共完成了6條指令全部對(duì)寄存器進(jìn)行操作（單周期執(zhí)行）指令周期數(shù)(CPI)=1

OperationCycle 1 23 4 56ADDSUBMOVANDORREORCMPRSBFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteDecodeExecuteFetchDecodeFetchFetch優(yōu)秀的流水線結(jié)構(gòu)本例中6個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)一共完成了4條指令指令周期數(shù)(CPI)=1.5Cycle

Operation 1 23456ADDSUBLDRMOVANDORRFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteDataWritebackFetchDecodeExecuteFetchDecodeFetch流水線執(zhí)行舉例：LDRARM9TDMI5級(jí)流水線性能改進(jìn)提升CPI至~1.5提高時(shí)鐘頻率ARM9TDMI流水線InstructionFetchShift+ALUMemoryAccessRegWriteRegReadRegDecodeFETCHDECODEEXECUTEMEMORYWRITEARM9TDMIARMorThumb

InstDecodeRegSelectRegReadShiftALURegWriteThumb?ARM

decompressARMdecodeInstructionFetchFETCHDECODEEXECUTEARM7TDMICycleOperationADD R1,R1,R2SUB R3,R4,R1ORR R8,R3,R4AND R6,R3,R1EOR R3,R1,R212345678LDR

R4,[R7]9FDEFDEWFDEWFDEWFDWEFDEWF-Fetch D

-Decode E-Execute I-Interlock M-MemoryW–Write-backILDR內(nèi)部周期本例中7個(gè)時(shí)鐘周期完成6條指令，CPI等于1.2Interlock:LDR后面的指令馬上要用到LDR的結(jié)果寄存器，導(dǎo)致插入一個(gè)內(nèi)部周期WIM3.2更多級(jí)的流水線ARM10采用了6級(jí)流水線，但是處于兼容考慮，直接讀取PC值依然等于“當(dāng)前指令地址+8”。3.3流水線對(duì)程序的影響lr=lr&15;lr=pc+lr*4;cpsr=spsr;pc=lr;

and lr,lr,#15 ldr lr,[pc,lr,lsl#2] movs pc,lr .LCtab_irq: .word __irq_usr @0x0 .word __irq_invalid @0x1 .word __irq_invalid @0x2 .word __irq_svc @0x3 .word __irq_invalid @0x4 …… .word __irq_invalid @0xf3.4指令預(yù)取和自修改代碼流水線使得CPU在執(zhí)行當(dāng)前指令的同時(shí)，從存儲(chǔ)器中預(yù)取其后若干條指令。預(yù)取的指令不一定得到執(zhí)行。比如發(fā)生跳轉(zhuǎn)或中斷。自修改代碼指的是代碼在執(zhí)行過(guò)程中可能修改自身。被修改的指令可能和預(yù)取得指令不同，從而產(chǎn)生錯(cuò)誤。相鄰指令執(zhí)行的數(shù)據(jù)相關(guān)性會(huì)產(chǎn)生指令執(zhí)行的停頓（stall），嚴(yán)重的會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)災(zāi)難（hazards）。如圖所示，第2條指令的reg操作需要第1條指令執(zhí)行的結(jié)果（res），因此，第2條指令在執(zhí)行時(shí)，不得不產(chǎn)生停頓。另外碰到分支類指令，那么，會(huì)使后面緊接該條指令的幾條指令的執(zhí)行都會(huì)無(wú)效，如圖所示。4模式和寄存器模式分類ARM處理器的寄存器狀態(tài)寄存器異常和異常向量表4.1模式分類ARM一共有7種執(zhí)行模式:User:非特權(quán)級(jí)模式，多數(shù)應(yīng)用程序使用的模式FIQ:進(jìn)入快速中斷響應(yīng)時(shí)IRQ:進(jìn)入一般中斷響應(yīng)時(shí)Supervisor:復(fù)位后的缺省模式，或進(jìn)入軟件中斷響應(yīng)時(shí)Abort:遇到存儲(chǔ)器訪問(wèn)出錯(cuò)時(shí)Undef:遇到未定義指令時(shí)System:特權(quán)級(jí)的User模式4.2ARM處理器的寄存器ARM一共有37個(gè)32位的寄存器1個(gè)PC寄存器1個(gè)CPSR（當(dāng)前狀態(tài)寄存器）5個(gè)SPSR（狀態(tài)保留寄存器）30個(gè)通用寄存器當(dāng)前的處理器模式?jīng)Q定了可以訪問(wèn)到的寄存器組，以下是對(duì)所有模式都有的寄存器一組特定的r0-r12寄存器一個(gè)特定的r13(堆棧指針,sp)和r14(連接寄存器,lr)PC寄存器

r15當(dāng)前狀態(tài)寄存器cpsr特權(quán)模式（System模式除外）獨(dú)有的特定的spsr（狀態(tài)保留寄存器）ARM處理器的寄存器User/SystemSupervisorAbortUndefinedInterruptFIQR0R0R0R0R0R0R1R1R1R1R1R1R2R2R2R2R2R2R3R3R3R3R3R3R4R4R4R4R4R4R5R5R5R5R5R5R6R6R6R6R6R6R7R7R7R7R7R7R8R8R8R8R8R8_FIQR9R9R9R9R9R9_FIQR10R10R10R10R10R10_FIQR11R11R11R11R11R11_FIQR12R12R12R12R12R12_FIQR13R13_SVCR13_ABORTR13_UNDEFR13_IRQR13_FIQR14R14_SVCR14_ABORTR14_UNDEFR14_IRQR14_FIQPCPCPCPCPCPC

CPSRCPSRCPSRCPSRCPSRCPSR

SPSR_SVCSPSR_ABORTSPSR_UNDEFSPSR_IRQSPSR_FIQ寄存器組織User

mode

r0-r7,

r15,

and

cpsrr8r9r10r11r12r13(sp)r14(lr)spsrFIQr8r9r10r11r12r13(sp)r14(lr)r15(pc)cpsrr0r1r2r3r4r5r6r7Userr13(sp)r14(lr)spsrIRQUser

mode

r0-r12,

r15,

and

cpsrr13(sp)r14(lr)spsrUndefUser

mode

r0-r12,

r15,

and

cpsrr13(sp)r14(lr)spsrSVCUser

mode

r0-r12,

r15,

and

cpsrr13(sp)r14(lr)spsrAbortUser

mode

r0-r12,

r15,

and

cpsrThumbstateLowregistersThumbstateHighregistersNote:SystemmodeusestheUsermoderegistersetARM處理器的寄存器r0—r12：通用寄存器。當(dāng)C和匯編互相調(diào)用時(shí)，r0~r3用來(lái)傳遞函數(shù)參數(shù)，可記為a0~a3r13：用于各工作態(tài)的堆棧寄存器（sp）r14：用來(lái)保護(hù)程序返回地址的鏈接寄存器（lr）r15：程序計(jì)數(shù)器（pc）r8_FIQ—r12_FIQ：允許快速中斷處理r8_User—r12_User：除了FIQ外各模式公用除了User和System模式外，各種模式都有自己獨(dú)立的r13和r144.3狀態(tài)寄存器條件標(biāo)識(shí)位N=

結(jié)果為負(fù)Z=結(jié)果為零C=進(jìn)位V=溢出Q標(biāo)識(shí)位只在5TE/J系列中有效指示stickyoverflow的發(fā)生J標(biāo)識(shí)位僅在5TEJ系列中有效J=1:處理器處于Jazelle狀態(tài)中斷使能位I=1:禁止IRQ.F=1:禁止FIQ.T標(biāo)識(shí)位只在xT系列內(nèi)核中有效T=0:處理器處于ARM狀態(tài)T=1:處理器處于Thumb狀態(tài)模式位指示當(dāng)前處理器模式2731NZCVQ2867IFTmode162381554024fsxc

UndefinedJCPSR/SPSRM[4:0]模式AccessibleRegisters10000UserPC,R14toR0,CPSR10001FIQPC,R14_FIQtoR8_FIQ,R7toR0,CPSR,SPSR_FIQ10010IRQPC,R14_IRQ,R13_IRQ,R12toR0,CPSR,SPSR_IRQ10011SVCPC,R14_SVC,R13_SVC,R12toR0,CPSR,SPSR_SVC10111AbortPC,R14_ABORT,R13_ABORT,R12toR0,CPSR,SPSR_ABORT11011UndefPC,R14_UNDEF,R13_UNDEF,R12toR0,CPSR,SPSR_UNDEF11111SystemPC,R14toR0,CPSR(Architecture4only)PC寄存器(r15)當(dāng)處理器處于ARM狀態(tài)時(shí):所有指令都是32位長(zhǎng)度所有指令存儲(chǔ)必須word對(duì)齊pc[31:2]有效，[1:0]未定義當(dāng)處理器處于Thumb狀態(tài)時(shí):所有指令都是16位長(zhǎng)度所有指令存儲(chǔ)必須halfword對(duì)齊pc[31:1]位有效，最低位未定義當(dāng)處理器處于Jazelle狀態(tài)時(shí):所有指令都是8位長(zhǎng)度處理器一次執(zhí)行1個(gè)word的讀取指令獲得4條Java指令注意在指令中訪問(wèn)PC寄存器的值不是當(dāng)前指令地址5異常和異常向量表異常的產(chǎn)生異常優(yōu)先級(jí)異常處理異常返回指令5.1異常的產(chǎn)生直接異常：軟件中斷，未定義指令（包括所要求的協(xié)處理器不存在時(shí)的協(xié)處理器命令）和預(yù)取指令間接異常：數(shù)據(jù)中止（在Load和Store數(shù)據(jù)訪問(wèn)時(shí)的存儲(chǔ)器故障）外部異常：復(fù)位，IRQ和FIQ5.2異常優(yōu)先級(jí)異常在當(dāng)前指令執(zhí)行完成之后才被響應(yīng)多個(gè)異常可以在同一時(shí)間產(chǎn)生異常指定了優(yōu)先級(jí)和固定的服務(wù)順序:ResetDataAbortFIQIRQPrefetchAbortSWIUndefinedinstructionVectorTableVectortablecanbeat

0xFFFF0000onARM720T

andonARM9/10familydevicesFIQIRQ(Reserved)DataAbortPrefetchAbortSoftwareInterruptUndefinedInstructionReset0x1C0x180x140x100x0C0x080x040x005.3異常處理當(dāng)異常產(chǎn)生時(shí),ARMcore:拷貝CPSR到SPSR_<mode>設(shè)置適當(dāng)?shù)腃PSR位：改變處理器狀態(tài)進(jìn)入ARM狀態(tài)改變處理器模式進(jìn)入相應(yīng)的異常模式設(shè)置中斷禁止位禁止相應(yīng)中斷保存返回地址到LR_<mode>設(shè)置PC到相應(yīng)的異常向量返回時(shí),異常處理需要:從SPSR_<mode>恢復(fù)CPSR從LR_<mode>恢復(fù)PC這些操作只能在ARM態(tài)執(zhí)行.從SWI和Undef異常返回 MOVSpc,lr從FIQ,IRQ和預(yù)取異常(PrefectAbort)返回

SUBSpc,lr,#4

從數(shù)據(jù)異常(DataAbort)返回

SUBSpc,lr,#8

若LR之前被壓棧，使用LDM“^”

LDMFDsp!,{pc}^異常返回：使用一數(shù)據(jù)處理指令：相應(yīng)的指令取決于什么樣的異常帶S位把PC作為目標(biāo)寄存器在特權(quán)模式下，這些操作不僅更新PC，而且拷貝SPSR到CPSR5.4異常返回指令匯編指令中的^和S標(biāo)記可用于異常返回，恢復(fù)PC的同時(shí)恢復(fù)CPSR。如果使用堆棧返回，預(yù)先保存在棧中的返回地址要求以做好調(diào)整。在異常返回時(shí)使用類似如下指令：“l(fā)dmfdr13!,(r0-r3,pc)^”1）“^”后綴不允許在usr和svc模式下使用。2）如果用在LDM指令中，且寄存器列表中含有PC時(shí)，那么除了正常的多寄存器傳送外，將SPSR拷貝到CPSR中。這一特點(diǎn)用于異常處理返回。ARMorThumb?Thumb/ARM混合應(yīng)用程序ARMCodeARMCodeThumb

CodeFIQIRQ(Reserved)DataAbortPrefetchAbortSoftwareInterruptUndefinedInstructionResetFIQvsIRQFIQ和IRQ提供了非?；镜膬?yōu)先級(jí)級(jí)別。在下邊兩種情況下，F(xiàn)IQs有高于IRQs的優(yōu)先級(jí):當(dāng)多個(gè)中斷產(chǎn)生時(shí)，F(xiàn)IQ高于IRQ.處理FIQ時(shí)禁止IRQs.IRQs將不會(huì)被響應(yīng)直到FIQ處理完成.FIQs的設(shè)計(jì)使中斷處理盡可能地快.FIQ向量位于中斷向量表的最末.為了使中斷處理程序可從中斷向量處連續(xù)執(zhí)行FIQ模式有5個(gè)額外的私有寄存器(r8-r12)中斷處理必須保護(hù)其使用的非私有寄存器可以有多個(gè)FIQ中斷源,但是考慮到系統(tǒng)性能應(yīng)避免嵌套。6ARM的存儲(chǔ)和I/O空間特點(diǎn)大端和小端非對(duì)齊的存儲(chǔ)訪問(wèn)6.1特點(diǎn)ARM體系同時(shí)支持大端/小端。32位地址線/數(shù)據(jù)線，支持如下數(shù)據(jù)類型：字節(jié)（byte）8bits半字（Halfword）16bits，半字必須對(duì)齊2字節(jié)邊界字（Word）32bits，字必須對(duì)齊4字節(jié)邊界ARM的I/O空間采用統(tǒng)一編址方式。ARM可以通過(guò)配置支持兩種endianr0=0x11223344STRr0,[r1]LDRBr2,[r1]r1=0x100Memory32100123ByteLane312423161587011223344312423161587011223344312423161587011223344312423161587000000044312423161587000000011LittleendianBigendianR2=0x44R2=0x116.2EndianConfiguration/大端和小端Littleendian:Bigendian6.3非對(duì)齊的存儲(chǔ)訪問(wèn)非對(duì)齊的取指不可預(yù)知結(jié)果。ARM狀態(tài)：忽略低2兩位；Thumb狀態(tài)：忽略最低位。忽略由存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)。非對(duì)齊的數(shù)據(jù)訪問(wèn)執(zhí)行結(jié)果不可預(yù)知。忽略字單元地址的最低兩位；忽略半字單元地址的最低位。忽略可能由處理器或存儲(chǔ)器完成。7AMBA總線當(dāng)ARM核作為一個(gè)元件集成到復(fù)雜的系統(tǒng)芯片上時(shí)，需要某種接口和其它元件進(jìn)行通訊，這就是AMBA總線。ARM研發(fā)的AMBA(Advanced

Microcontroller

Bus

Architecture)提供一種特殊的機(jī)制，可將RISC處理器集成在其它IP芯核和外設(shè)中，2.0版AMBA標(biāo)準(zhǔn)定義了三組總線：AHB(AMBA高性能總線)：用于高性能、高數(shù)據(jù)吞吐部件，如CPU、DMA、DSP之間的互連。ASB(AMBA系統(tǒng)總線)：用來(lái)作處理器與外設(shè)之間的互連，將被AHB取代。APB(AMBA外設(shè)總線)：為系統(tǒng)的低速外部設(shè)備提供低功耗的簡(jiǎn)易互連。系統(tǒng)總線和外設(shè)總線之間的橋接器提供AHB/ASP部件與APB部件間的訪問(wèn)代理與緩沖。ARM核片內(nèi)RAMDMA控制器橋路UART定時(shí)器并口APBAHB/ASB外部總線接口測(cè)試接口控制AHB用來(lái)研發(fā)寬帶寬處理器芯核的片上總線。應(yīng)用于高性能、高時(shí)鐘頻率的系統(tǒng)模塊，它構(gòu)成了高性能的系統(tǒng)骨干總線（

back-bone

bus

）。它主要支持的特性是：用于高性能、高數(shù)據(jù)吞吐部件，如CPU、DMA、DSP之間數(shù)據(jù)突發(fā)傳輸（

burst

transfer

）數(shù)據(jù)分割傳輸（

split

transaction

）流水線方式一個(gè)周期內(nèi)完成總線主設(shè)備（master）對(duì)總線控制權(quán)的交接單時(shí)鐘沿操作內(nèi)部無(wú)三態(tài)實(shí)現(xiàn)更寬的數(shù)據(jù)總線寬度（最低32位，最高可達(dá)1024位，但推薦不要超過(guò)256位）是第一代AMBA系統(tǒng)總線，同AHB相比，它數(shù)據(jù)寬度要小一些，它支持的典型數(shù)據(jù)寬度為8位、16位、32位。它的主要特征如下：流水線方式數(shù)據(jù)突發(fā)傳送多總線主設(shè)備內(nèi)部有三態(tài)實(shí)現(xiàn)

是本地二級(jí)總線（local

secondary

bus

），通過(guò)橋和AHB/ASB相連。它主要是為了滿足不需要高能流水線接口或不需要高帶寬接口的設(shè)備的互連。APB的總線信號(hào)經(jīng)改進(jìn)后全和時(shí)鐘上升沿相關(guān)，這種改進(jìn)的主要優(yōu)點(diǎn)如下：更易達(dá)到高頻率的操作性能和時(shí)鐘的占空比無(wú)關(guān)單時(shí)鐘沿簡(jiǎn)化了更易與基于周期的仿真器集成APB

只有一個(gè)APB橋，它將來(lái)自AHB/ASB的信號(hào)轉(zhuǎn)換為合適的形式以滿足掛在APB上的設(shè)備的要求。橋要責(zé)鎖存地址、數(shù)據(jù)以及控制信號(hào)，同時(shí)要進(jìn)行二次譯碼以選擇相應(yīng)的APB設(shè)備ARM指令集總體分為6類指令跳轉(zhuǎn)指令：B和BL數(shù)據(jù)處理指令：數(shù)據(jù)傳輸指令，算術(shù)指令，邏輯指令，比較指令，乘法指令，前導(dǎo)零計(jì)數(shù)訪存指令：?jiǎn)螖?shù)據(jù)訪存指令，多數(shù)據(jù)訪存指令，信號(hào)量操作指令程序狀態(tài)訪問(wèn)指令：MRS和MSR協(xié)處理器指令異常指令：SWI和BKPT8ARM指令系統(tǒng)所有指令都是32bit大多數(shù)指令都在單周期內(nèi)完成所有指令都可以條件執(zhí)行l(wèi)oad/store體系結(jié)構(gòu)指令集可以通過(guò)協(xié)處理器擴(kuò)展8.1ARM指令特點(diǎn)<Opcode>{<cond>}{s}<Rd>,<Rn>,<Operand2>Cond：指令的條件碼Opcode：指令操作碼S：操作是否影響cpsrRn：包含第一個(gè)操作數(shù)的寄存器編碼Rd：目標(biāo)寄存器編碼Operand2：第2操作數(shù)Cond001OpcodeSRnRdOperand20111215161920212425272831788.2ARM指令的格式8.3ARM指令的條件執(zhí)行所有的ARM指令可包含一個(gè)可選的條件碼，只有在cpsr中的條件標(biāo)志位滿足指定的條件時(shí)，指令才會(huì)被執(zhí)行。不符合條件的代碼依然占用一個(gè)時(shí)鐘周期（相當(dāng)于一個(gè)NOP指令）。//r0,r1,r2,r3,r4:a,b,c,d,ecmp r0,r1cmpeq r2,r3addeq r4,r4,#1if((a==b)&&(c==d)){ e++;}ARM指令的條件域EQ/NE:等于/不等于(equal/notequal)HS/LO:無(wú)符號(hào)數(shù)高于或等于/無(wú)符號(hào)數(shù)小于(higherorsame/lower)HI/LS:無(wú)符號(hào)數(shù)高于/無(wú)符號(hào)數(shù)低于或等于(higher/lowerorsame)GE/LT:有符號(hào)數(shù)大于或等于/有符號(hào)數(shù)小于(greaterorequal/lessthan)GT/LE:有符號(hào)數(shù)大于/有符號(hào)數(shù)小于或等于(greaterthan/lessorequal)MI/PL:負(fù)/非負(fù)VS/VC:溢出/不溢出(overflowset/overflowclear)CS/CC:進(jìn)位/無(wú)進(jìn)位(carryset/carryclear)0000EQZ置位相等/等于00001NEZ清0不等0010CS/HSC置位進(jìn)位/無(wú)符號(hào)高于或等于0011CC/LOC清0無(wú)進(jìn)位/無(wú)符號(hào)低于0100MIN置位負(fù)數(shù)0101PLN清0非負(fù)數(shù)0110VSV置位溢出0111VCV清0無(wú)溢出ARM指令的條件碼ARM指令的條件碼1000HIC置位且Z清0無(wú)符號(hào)高于1001LSC清0或Z置位無(wú)符號(hào)低于或等于1010GEN等于V有符號(hào)大于或等于1011LTN不等于V有符號(hào)小于1100GTZ清0且N等于V有符號(hào)大于1101LEZ置位或N不等于V有符號(hào)小于或等于1110AL任何狀態(tài)總是（always）1111NV無(wú)從不（never）注：AL是默認(rèn)的，NV不建議使用。4.4數(shù)據(jù)處理指令數(shù)據(jù)傳輸指令：mov和mvn算數(shù)指令：add、adc、sub、sbc，rsb和rsc邏輯指令：and、orr、eor和bic比較指令：cmp、cmn、tst和teq所有的操作數(shù)要么來(lái)自寄存器，要么來(lái)自立即數(shù)，不會(huì)來(lái)自內(nèi)存。如果有結(jié)果，則結(jié)果一定是為32位寬，并且放在一個(gè)寄存器中，不會(huì)寫(xiě)入內(nèi)存。（有一個(gè)例外：長(zhǎng)乘法指令產(chǎn)生64位結(jié)果）每一個(gè)操作數(shù)寄存器和結(jié)果寄存器都在指令中獨(dú)立指出，即：ARM指令采用3地址模式：

<Operation>Rd,Rn,Rm數(shù)據(jù)處理指令的特點(diǎn)addr0,r1,#0xffaddr0,r1,r1,LSLr2CondSRnRd第2操作數(shù)078111215161920opcode212400X25272831#immed_8#rot0781100000000Rm03411方式1：#immed方式2：Rm0000Rm03411Rs78方式3：RmLSLRsshiftRm03411#immed_567方式4：RmLSL#immed_5（#immed_5取值范圍0-31）addr0,r1,r1,LSL#31四種尋址方式和s后綴四種尋址方式的硬件支持寄存器，可能需要移位。如需移位，移位值可為：5bit的無(wú)符號(hào)整數(shù)（0-31）在指令的最低字節(jié)指定的另一寄存器立即數(shù)

8比特?cái)?shù)

8比特?cái)?shù)循環(huán)右移偶數(shù)位右移位數(shù)由匯編器自動(dòng)計(jì)算立即數(shù)尋址ARM指令中的立即數(shù)，由一個(gè)8bit的常數(shù)循環(huán)右移偶數(shù)位得到：立即數(shù)=（0->255)循環(huán)右移2N位,其中：0<=N<=12例子：合法立即數(shù)：0x3fc，0x0，0xf0000000，0xf0000001非法立即數(shù)：0x1fe，0xffff，0x1010，0xf0000010同一個(gè)立即數(shù)可能有多個(gè)表示方法。如：0x3f0=0x3f循環(huán)右移28位0x3f0=0xfc循環(huán)右移30位對(duì)立即數(shù)的編碼規(guī)則：如果立即數(shù)在0–0xff之間，移位數(shù)為0。否則，就取決于編譯器了。指令“movr0,#0x3f0”在ADS1.2中被編譯為0xe3a00ffc，在arm-elf-gcc-2.95.3中被編譯為0xe3a00e3f。立即數(shù)尋址對(duì)于有互補(bǔ)操作的指令，編譯器可以做智能的轉(zhuǎn)換，比如：mvnr1,0xffffff00 -> movr1,0xffaddr1,r1,#0xff