嵌入式微處理器體系結(jié)構(gòu)-課件

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)例開發(fā)——ARM與C/OS-Ⅱ第三講ARM微處理器體系結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)例開發(fā)本節(jié)要求

操作系統(tǒng)移植和系統(tǒng)初始化需要了解ARM體系結(jié)構(gòu)與匯編語言。學(xué)習(xí)ARM微處理器的體系結(jié)構(gòu)；掌握ARM匯編語言的基本使用方法。本節(jié)要求操作系統(tǒng)移植和系統(tǒng)初始化需要了解ARM體系結(jié)構(gòu)與精品資料精品資料你怎么稱呼老師？如果老師最后沒有總結(jié)一節(jié)課的重點(diǎn)的難點(diǎn)，你是否會(huì)認(rèn)為老師的教學(xué)方法需要改進(jìn)？你所經(jīng)歷的課堂，是講座式還是討論式？教師的教鞭“不怕太陽曬，也不怕那風(fēng)雨狂，只怕先生罵我笨，沒有學(xué)問無顏見爹娘……”“太陽當(dāng)空照，花兒對(duì)我笑，小鳥說早早早……”嵌入式微處理器體系結(jié)構(gòu)--ppt課件本節(jié)提要1324ARM體系結(jié)構(gòu)概覽ARMJTAG調(diào)試接口ARM編程模型ARM指令集本節(jié)提要1324ARM體系結(jié)構(gòu)概覽ARMJTAG調(diào)試接口AARMLtd成立于1990年11月；前身為Acorn計(jì)算機(jī)公司；AdvanceRISCMachine(ARM)；主要設(shè)計(jì)ARM系列RISC處理器內(nèi)核；授權(quán)ARM內(nèi)核給生產(chǎn)和銷售半導(dǎo)體的合作伙伴；ARM公司不生產(chǎn)芯片；IP(IntelligenceProperty)；另外也提供基于ARM架構(gòu)的開發(fā)設(shè)計(jì)技術(shù)；軟件工具,評(píng)估板,調(diào)試工具,應(yīng)用軟件,

總線架構(gòu),外圍設(shè)備單元等。ARMLtd成立于1990年11月；ARM即AdvancedRISCMachines的縮寫。1985年4月26日，第一個(gè)ARM原型在英國劍橋的Acorn計(jì)算機(jī)有限公司誕生，由美國加州SanJoseVLSI技術(shù)公司制造。20世紀(jì)80年代后期，ARM很快開發(fā)成Acorn的臺(tái)式機(jī)產(chǎn)品，形成英國的計(jì)算機(jī)教育基礎(chǔ)。1990年成立了AdvancedRISCMachinesLimited。20世紀(jì)90年代，ARM32位嵌人式RISC（ReducedInstructionSetComputer）處理器擴(kuò)展到世界范圍，占據(jù)了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。32位RISC處理器受到青睞，領(lǐng)先的是ARM嵌入式微處理器系列。ARM公司雖然只成立10多年，但在1999年因移動(dòng)電話火爆市場，其32位RISC處理器占市場份額超過了50%，2001年初，ARM公司的32位RISC處理器市場占有率超過了75%。ARM公司是知識(shí)產(chǎn)權(quán)供應(yīng)商，是設(shè)計(jì)公司。由合作伙伴公司來生產(chǎn)各具特色的芯片。

ARM的發(fā)展歷程-1ARM即AdvancedRISCMachines的縮寫。ARM公司商業(yè)模式的強(qiáng)大之處在于其價(jià)格合理，全世界范圍有超過100個(gè)合作伙伴--包括半導(dǎo)體工業(yè)的著名公司。ARM公司專注于設(shè)計(jì)，其內(nèi)核耗電少、成本低、功能強(qiáng)，特有16/32位雙指令集。ARM已成為移動(dòng)通信、手持計(jì)算、多媒體數(shù)字消費(fèi)等嵌入式解決方案的RISC標(biāo)準(zhǔn)。

在所有ARM處理器系列中，ARM7處理器系列應(yīng)用最廣，采用ARM7處理器作為內(nèi)核生產(chǎn)芯片的公司最多。ARM公司商業(yè)模式的強(qiáng)大之處在于其價(jià)格合理，全世界范圍有超過ARM的發(fā)展歷程-21991年--ARM推出第一款RISC嵌入式微處理器核ARM6。1993年--ARM推出

ARM7核。1995年--ARM的Thumb擴(kuò)展指令集結(jié)構(gòu)為16位系統(tǒng)增加了32位的性能，提供業(yè)界領(lǐng)先的代碼密度。ARM的發(fā)展歷程-21991年--ARM推出第一款RIARM的發(fā)展歷程-3ARM的發(fā)展歷程-3ARM處理器的3大特點(diǎn)如下：小體積、低功耗、成本低、高性能；16位/32位雙指令集；全球眾多的合作伙伴。當(dāng)前ARM體系結(jié)構(gòu)的擴(kuò)充包括：Thumb:16位指令集，用以改善代碼密度；DSP：用于DSP應(yīng)用的算術(shù)運(yùn)算指令集；Jazeller：允許直接執(zhí)行Java代碼的擴(kuò)充。ARM處理器系列提供的解決方案包括：在無線、消費(fèi)電子和圖像應(yīng)用方面的開放平臺(tái)；存儲(chǔ)、自動(dòng)化、工業(yè)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)；智能卡和SIM卡的安全應(yīng)用。ARM處理器的特點(diǎn)ARM處理器的3大特點(diǎn)如下：ARM處理器的特點(diǎn)ARM授權(quán)費(fèi)IPARM創(chuàng)造和設(shè)計(jì)IPPartner產(chǎn)品，例如：芯片Partner把ARMIP和其他IP集成進(jìn)產(chǎn)品OEMCustomer版權(quán)費(fèi)單價(jià)OEM用來自ARMPartner的芯片設(shè)計(jì)制造最終用戶產(chǎn)品業(yè)務(wù)拓展/市場格局ARM的業(yè)務(wù)模型ARM授權(quán)費(fèi)IPARM創(chuàng)造和Partner產(chǎn)品，例如：芯片ARM微處理器微處理器核:ARM6,ARM7,ARM9,ARM10,ARM11。擴(kuò)展:Thumb,DSP,SIMD,Jazelleetc。其他IP核:UART,GPIO,memorycontrollers,etc。ARM微處理器微處理器核:ARM6,ARM7,ARMARM體系結(jié)構(gòu)版本

-1Version1(obsolete)基本數(shù)據(jù)處理；字節(jié)、字以及多字load/store；軟件中斷；26bit地址總線。Version2(obsolete)Multiply&Multiply-accumulate；支持協(xié)處理器；支持線程同步；26bit地址總線。ARM體系結(jié)構(gòu)版本-1Version1(obsoleARM體系結(jié)構(gòu)版本

-2V3版本推出32位尋址能力,結(jié)構(gòu)擴(kuò)展變化為：T---16位壓縮指令集；M---增強(qiáng)型乘法器,產(chǎn)生全64位結(jié)果(32X3264or32X32+6464)。V4版本增加了半字load和store指令。V5版本改進(jìn)了ARM和Thumb之間的交互，結(jié)構(gòu)擴(kuò)展變化為:E---增強(qiáng)型DSP指令集，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。ARM體系結(jié)構(gòu)版本-2V3版本推出32位尋址能力,結(jié)構(gòu)擴(kuò)ARM體系結(jié)構(gòu)更新ARM體系結(jié)構(gòu)更新體系結(jié)構(gòu)變化

–1*THUMB指令集

(“T”)THUMB指令集:32位ARM指令集的子集，按16位指令重新編碼。代碼尺寸小

(upto40%compression)。簡化設(shè)計(jì)。體系結(jié)構(gòu)變化–1*THUMB指令集(“T”)體系結(jié)構(gòu)變化

-2長乘法指令

(‘M’)32x32=64bit.提供全64位結(jié)果。增強(qiáng)DSP指令集

(‘E’)可附加在ARM中的DSP指令。64bit轉(zhuǎn)換。在v5版本中第一次推出。處理器內(nèi)核的變化D:在片調(diào)試.處理器可響應(yīng)調(diào)試暫停請(qǐng)求。I:EmbeddedICE.支持片上斷點(diǎn)調(diào)試。體系結(jié)構(gòu)變化-2長乘法指令(‘M’)體系結(jié)構(gòu)變化

-3ARMDSP指令集對(duì)于音頻DSP應(yīng)用提供高達(dá)70%的處理速度。Jazelle提供比基于軟件的JAVA虛擬機(jī)（JVM）更高的性能。

與非JAVA加速核相比，提供8倍JAVA加速性能和降低80%的功耗。139字節(jié)碼直接在硬件上執(zhí)行，88個(gè)字節(jié)碼在軟件上執(zhí)行。體系結(jié)構(gòu)變化-3ARMDSP指令集本節(jié)提要1324ARM體系結(jié)構(gòu)概覽ARMJTAG調(diào)試接口ARM編程模型ARM指令集本節(jié)提要1324ARM體系結(jié)構(gòu)概覽ARMJTAG調(diào)試接口A指令流水線為增加處理器指令流的速度，ARM7系列使用3級(jí)流水線允許多個(gè)操作同時(shí)處理，比逐條指令執(zhí)行要快

PC指向正被取指的指令，而非正在執(zhí)行的指令FetchDecodeExecute從存儲(chǔ)器中讀取指令解碼指令寄存器讀（從寄存器Bank）移位及ALU操作寄存器寫（到寄存器Bank）PC PCPC+4PC+2PC+8PC+4ARM Thumb指令流水線為增加處理器指令流的速度，ARM7系列使用3級(jí)流處理器的工作狀態(tài)ARM7TDMI處理器有兩種工作狀態(tài):ARM——32bit,按字排列的ARM指令集。Thumb——16bit,

按半字排列的Thumb指令集。ARM7TDMI核的操作狀態(tài)可以通過BX指令(分支和交換指令）在ARM狀態(tài)和Thumb狀態(tài)之間切換。例：從ARM狀態(tài)切換到Thumb狀態(tài)：

LDRR0,=Label+1BXR0從Thumb狀態(tài)切換到ARM狀態(tài)：

LDRR0,=LabelBXR0處理器的工作狀態(tài)ARM7TDMI處理器有兩種工作狀態(tài):例：存儲(chǔ)器模式*大端模式字?jǐn)?shù)據(jù)的高位字節(jié)存放在低地址中。字?jǐn)?shù)據(jù)的低字節(jié)則存放在高地址中。小端模式低地址中存放字?jǐn)?shù)據(jù)的低字節(jié)。高地址中存放字?jǐn)?shù)據(jù)的高字節(jié)。3124

2316

158

70字地址11109887654432100

低地址

高地址3124

2316

158

70

字地址89101184567401230

低地址

高地址存儲(chǔ)器模式*大端模式3124231615870字地址1數(shù)據(jù)和指令類型ARM采用的是32位架構(gòu)ARM約定:Byte： 8bits；Halfword：16bits(2byte)；Word: 32bits(4byte)。大部分ARMcore提供：ARM指令集（32bits）；Thumb指令集(T變種)（16bits）。Jazellecores支持Javabytecode(J變種，4TEJ)。數(shù)據(jù)和指令類型ARM采用的是32位架構(gòu)處理器工作模式(1)ARM有7個(gè)基本工作模式:1.User:非特權(quán)模式，大部分任務(wù)執(zhí)行在這種模式正常程序執(zhí)行的模式2.FIQ:當(dāng)一個(gè)高優(yōu)先級(jí)(fast)中斷產(chǎn)生時(shí)將會(huì)進(jìn)入這種模式高速數(shù)據(jù)傳輸和通道處理3.IRQ:當(dāng)一個(gè)低優(yōu)先級(jí)(normal)中斷產(chǎn)生時(shí)將會(huì)進(jìn)入這種模式通常的中斷處理4.Supervisor:當(dāng)復(fù)位或軟中斷指令執(zhí)行時(shí)將會(huì)進(jìn)入這種模式供操作系統(tǒng)使用的一種保護(hù)模式5.Abort:當(dāng)存取異常時(shí)將會(huì)進(jìn)入這種模式虛擬存儲(chǔ)及存儲(chǔ)保護(hù)6.Undef:當(dāng)執(zhí)行未定義指令時(shí)會(huì)進(jìn)入這種模式軟件仿真硬件協(xié)處理器7.System:使用和User模式相同寄存器集的特權(quán)模式特權(quán)級(jí)的操作系統(tǒng)任務(wù)處理器工作模式(1)ARM有7個(gè)基本工作模式:處理器工作模式(2)除用戶模式和系統(tǒng)模式外，其他都稱為異常模式。其中大多數(shù)程序運(yùn)行在用戶模式下，這時(shí)應(yīng)用程序不能訪問一些受操作系統(tǒng)保護(hù)的系統(tǒng)資源，也不能直接進(jìn)行處理器模式的切換。當(dāng)需要進(jìn)行模式切換時(shí)，應(yīng)用程序可以產(chǎn)生異常處理，在異常處理過程中切換處理器的運(yùn)行模式。這種體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是操作系統(tǒng)可以控制整個(gè)系統(tǒng)的資源。當(dāng)應(yīng)用程序發(fā)生異常中斷時(shí)，處理器進(jìn)入相應(yīng)的異常模式，每種異常模式下都有相應(yīng)的一組寄存器，以供相應(yīng)的異常處理程序使用，這樣可以保證進(jìn)入異常模式后，用戶模式下的寄存器（保存了程序狀態(tài)）不會(huì)被破壞。處理器工作模式(2)除用戶模式和系統(tǒng)模式外，其他都稱為異常模寄存器組織

–1*寄存器組織–1*寄存器

-237寄存器31個(gè)通用32位寄存器，包括程序計(jì)數(shù)器PC：未分組寄器R0-R7；分組寄存器R8-R14；程序計(jì)數(shù)器PC（R15）；6個(gè)狀態(tài)寄存器；15通用寄存器

(R0toR14),以及1或者2個(gè)狀態(tài)寄存器和程序計(jì)數(shù)器在任何時(shí)候都是可以訪問的?？稍L問的寄存器取決于處理器的模式其他寄存器(thebankedregisters)的狀態(tài)在支持IRQ,FIQ,管理員,中止和未定義模式處理時(shí)被切換寄存器-237寄存器寄存器

-3R0到R15可以直接訪問；R0到R14是通用寄存器；R13:堆棧指針

(sp)(通常)每種處理器模式都有單獨(dú)的堆棧；R14:鏈接寄存器(lr)；R15包含程序計(jì)數(shù)器

(PC)；CPSR當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器，包括代碼標(biāo)志狀態(tài)和當(dāng)前模式位；5個(gè)SPSRs:程序狀態(tài)保存寄存器,當(dāng)異常發(fā)生時(shí)保存CPSR狀態(tài)。寄存器-3R0到R15可以直接訪問；棧指針寄存器——R13R13通常作為棧指針使用，每一種異常模式都有自己的R13，程序初始化的時(shí)候，使R13指向該異常模式專用的棧地址；當(dāng)進(jìn)入異常時(shí)，可以把需要保存的寄存器保存在R13所指向的棧中；當(dāng)退出異常時(shí)，再將保存在R13所指向的棧中的寄存器彈出來，這樣就使異常處理程序不會(huì)破壞其中斷程序的運(yùn)行現(xiàn)場。棧指針寄存器——R13R13通常作為棧指針使用，每一種異常鏈接寄存器——R141）每一種處理器模式自己的物理R14中存放當(dāng)前子程序的返回地址，當(dāng)通過BL指令調(diào)用子程序時(shí)，R14被設(shè)置成該子程序的返回地址，在子程序中，當(dāng)把R14的值復(fù)制到程序計(jì)數(shù)器PC中時(shí)，子程序返回。可以通過下面兩種方式實(shí)現(xiàn)這種子程序的返回操作：MOVPC，LRBXLR

或者在子程序入口使用下面的指令將PC保存到棧中：STMFDSP！，{<registers>，LR}LDMFDSP！，{<registers>，PC}2）當(dāng)異常中斷發(fā)生時(shí)，該異常模式特定的物理R14被設(shè)置成該異常模式將要返回的地址，對(duì)于有些異常模式，R14的值可能與將返回的地址有一個(gè)常數(shù)的偏移量。鏈接寄存器——R141）每一種處理器模式自己的物理R14中存程序計(jì)數(shù)器——R15

程序計(jì)數(shù)器R15又稱為PC，由于ARM采用流水線機(jī)制，當(dāng)正確讀取了PC的值時(shí)，該值為當(dāng)前指令地址值加8個(gè)字節(jié)，也就是說，對(duì)于ARM指令集來說，PC指向當(dāng)前指令的下兩條指令的地址，由于ARM指令是字對(duì)齊的，PC值的第0、1位總為1。程序計(jì)數(shù)器——R15程序計(jì)數(shù)器R15又稱為PC，由于AR程序狀態(tài)寄存器

-1ARM7TDMI包含當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器

(CPSR),加上5個(gè)程序狀態(tài)保存寄存器SPSR，當(dāng)異常發(fā)生時(shí)，用于保存CPSR的狀態(tài)。這些寄存器的功能是:保存ALU當(dāng)前操作信息；控制允許和禁止中斷；設(shè)置處理器操作模式。程序狀態(tài)寄存器-1ARM7TDMI包含當(dāng)前程序狀態(tài)寄存程序狀態(tài)寄存器

條件位：N=1-結(jié)果為負(fù),0-結(jié)果為正或0Z=1-結(jié)果為0,0-結(jié)果不為0C=1-進(jìn)位，0-借位V=1-結(jié)果溢出，0結(jié)果沒溢出Q位：僅ARM5TE/J架構(gòu)支持指示增強(qiáng)型DSP指令是否溢出J位僅ARM5TE/J架構(gòu)支持J=1:處理器處于Jazelle狀態(tài)中斷禁止位：I=1:禁止IRQ.F=1:禁止FIQ.TBit僅ARMxT架構(gòu)支持T=0:處理器處于ARM狀態(tài)T=1:處理器處于Thumb狀態(tài)Mode位(處理器模式位):0b10000 User0b10001 FIQ0b10010 IRQ0b10011 Supervisor0b10111 Abort0b11011 Undefined0b11111 System2731NZCVQ2867IFTmode1623

815

54024fsxc

UndefinedJ程序狀態(tài)寄存器條件位：中斷禁止位：2731NZCV程序狀態(tài)寄存器PSR的模式位程序狀態(tài)寄存器PSR的模式位當(dāng)處理器執(zhí)行在ARM狀態(tài):所有指令32bits寬；所有指令必須word對(duì)齊；所以pc值由bits[31:2]決定,bits[1:0]未定義(所以指令不能halfword/byte對(duì)齊)。當(dāng)處理器執(zhí)行在Thumb狀態(tài):所有指令16bits寬；所有指令必須halfword對(duì)齊；所以pc值由bits[31:1]決定,bits[0]未定義(所以指令不能byte對(duì)齊)。當(dāng)處理器執(zhí)行在Jazelle狀態(tài):所有指令8bits寬；處理器執(zhí)行word存取一次取4條指令。程序指針PC(r15)當(dāng)處理器執(zhí)行在ARM狀態(tài):程序指針PC(r15)異常

-1異?！獌?nèi)部或外部中斷源產(chǎn)生并引起處理器處理一個(gè)事件，如外部中斷或試圖執(zhí)行未定義指令都會(huì)引起異常。處理異常之前必須保留處理器的狀態(tài)。異常類型FIQ；IRQ(InterruptReQuest)；未定義指令；預(yù)取中止；數(shù)據(jù)中止；復(fù)位；軟件中斷Softwareinterrupt：通過軟件中斷產(chǎn)生；從管理員模式中獲得；通常要求特殊的管理功能，如操作系統(tǒng)支持。異常-1異常——內(nèi)部或外部中斷源產(chǎn)生并引起處理器處理一個(gè)異常

-2異常類型未定義的指令陷井：當(dāng)ARM接受到一條不能處理的指令,ARM把這條指令提供給任何一個(gè)協(xié)處理器執(zhí)行；如果協(xié)處理器可以執(zhí)行這條指令但此時(shí)協(xié)處理器忙,ARM將等待直到協(xié)處理器準(zhǔn)備好或中斷發(fā)生；如果沒有協(xié)處理器處理這條指令,那么ARM將處理未定義的指令陷井。異常優(yōu)先級(jí)(1)Reset(highestpriority)；(2)Dataabort；(3)FIQ；(4)IRQ；(5)Prefetchabort；(6)未定義指令,Softwareinterrupt(最低優(yōu)先級(jí))。異常-2異常類型異常

-3只要產(chǎn)生異常就會(huì)導(dǎo)致正常和程序流程被臨時(shí)停止,例如外圍中斷服務(wù)程序。在異常被處理前,當(dāng)前的處理器狀態(tài)必須被保存,以便處理程序完成后,最后的程序可以被恢復(fù)。異常-3只要產(chǎn)生異常就會(huì)導(dǎo)致正常和程序流程被臨時(shí)停止,例異常定義（1）復(fù)位（Reset）：當(dāng)處理器復(fù)位引腳有效時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生復(fù)位異常中斷，程序跳轉(zhuǎn)到復(fù)位異常中斷處理程序處執(zhí)行，復(fù)位異常中斷一般在下面三種情況下產(chǎn)生：系統(tǒng)上電、系統(tǒng)復(fù)位、跳轉(zhuǎn)到復(fù)位中斷向量處執(zhí)行，軟復(fù)位。未定義的指令（undefinedinstruction）：當(dāng)ARM處理器或者協(xié)處理器認(rèn)為當(dāng)前指令未定義時(shí)，產(chǎn)生未定義的指令異常中斷。軟件中斷（softwareinterrupt，SWI）：由用戶定義的異常中斷?？捎糜谟脩裟Ｊ较碌某绦蛘{(diào)用特權(quán)操作指令，在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中可以通過該機(jī)制實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能調(diào)用。異常定義（1）復(fù)位（Reset）：當(dāng)處理器復(fù)位引腳有效時(shí)，系異常定義（2）指令預(yù)取中止（PrefetchAbort）：如果處理器預(yù)取的指令的地址不存在，或者該地址不允許當(dāng)前指令訪問，當(dāng)該被預(yù)取的指令執(zhí)行時(shí)，處理器產(chǎn)生指令預(yù)取中止異常中斷。數(shù)據(jù)訪問中止（DataAbort）：如果數(shù)據(jù)訪問指令的目標(biāo)地址不存在，或者該地址不允許當(dāng)前指令訪問，處理器產(chǎn)生數(shù)據(jù)訪問中止異常中斷。外部中斷請(qǐng)求（IRQ）：當(dāng)處理器的外部中斷請(qǐng)求引腳有效，而且CPSR寄存器的I控制位被清除時(shí)，處理器產(chǎn)生外部中斷請(qǐng)求（IRQ）異常中斷。系統(tǒng)中各外設(shè)通常通過該異常中斷請(qǐng)求處理器服務(wù)?？焖僦袛嗾?qǐng)求（FIQ）：當(dāng)處理器的外部中斷請(qǐng)求引腳有效，而且CPSR寄存器的F控制位被清除時(shí)，處理器產(chǎn)生外部中斷請(qǐng)求（FIQ）異常中斷。異常定義（2）指令預(yù)取中止（PrefetchAbort）：異常向量異常向量VectorTable異常處理當(dāng)異常產(chǎn)生時(shí),ARMcore:復(fù)制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(如需要)；保存返回地址到LR_<mode>；設(shè)置PC為相應(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；Note:這些操作只能在ARM態(tài)執(zhí)行。Vectortablecanbeat

0xFFFF0000onARM720T

andonARM9/10familydevicesFIQIRQ(Reserved)DataAbortPrefetchAbortSoftwareInterruptUndefinedInstructionReset0x1C0x180x140x100x0C0x080x040x00VectorTable異常處理當(dāng)異常產(chǎn)生時(shí),ARMco進(jìn)入異常的操作-2R14_<Exception_Mode>=ReturnLinkSPSR_<Exception_Mode>=CPSRCPSR[4:0]=ExceptionModeNumberCPSR[5]=0;當(dāng)運(yùn)行于ARM狀態(tài)時(shí)IF<Exception_Mode>==ResetorFIQthen;當(dāng)響應(yīng)FIQ異常時(shí)，禁止新的FIQ異常

CPSR[6]=1；

CPSR[7]=1；PC=ExceptionVectorAddress進(jìn)入異常的操作-2R14_<Exception_Mode>=例子:用戶模式到

FIQ模式*spsr_fiqcpsrr7r4r5r2r1r0r3r6r15(pc)r14_fiqr13_fiqr12_fiqr10_fiqr11_fiqr9_fiqr8_fiqr14(lr)r13(sp)r12r10r11r9r8用戶模式CPSR復(fù)制到

FIQ模式

SPSRcpsrr15(pc)r14(lr)r13(sp)r12r10r11r9r8r7r4r5r2r1r0r3r6r14_fiqr13_fiqr12_fiqr10_fiqr11_fiqr9_fiqr8_fiq返回一個(gè)從用戶模式計(jì)算的地址,PC值存儲(chǔ)在FIQ模式RegistersinuseRegistersinuse異常用戶模式FIQ模式spsr_fiq例子:用戶模式到FIQ模式*spsr_fiqcpsrr7進(jìn)入/退出異常概述進(jìn)入/退出異常概述異常返回地址ARM狀態(tài):在異常產(chǎn)生的時(shí)候內(nèi)核設(shè)置LR_mode=PC–4；處理程序需要調(diào)整LR_mode(取決于是哪一個(gè)異常發(fā)生了)，以便返回到正確的地址。Thumb狀態(tài):處理器根據(jù)發(fā)生的異常自動(dòng)修改存在LR_mode中的地址；不論異常產(chǎn)生時(shí)的狀態(tài)如何，處理器確保處理程序的ARM返回指令能返回到正確的地址(和正確的狀態(tài))。異常返回地址ARM狀態(tài):從SWIs和未定義指令返回從SWIs和未定義指令返回從FIQs和IRQs返回從FIQs和IRQs返回從預(yù)取異常返回從預(yù)取異常返回從數(shù)據(jù)異常返回從數(shù)據(jù)異常返回本節(jié)提要1324ARM體系結(jié)構(gòu)概覽ARMJTAG調(diào)試接口ARM編程模型ARM指令集本節(jié)提要1324ARM體系結(jié)構(gòu)概覽ARMJTAG調(diào)試接口AARM指令集Load-store結(jié)構(gòu)*在通用寄存器中操作；load/store---從存儲(chǔ)器中讀某個(gè)值,操作完后再將其放回存儲(chǔ)器中。指令分類數(shù)據(jù)處理指令

–--使用和改變寄存器的值；數(shù)據(jù)傳送指令

–--把存儲(chǔ)器的值復(fù)制到寄存器中

(load)或把寄存器中的值復(fù)制到存儲(chǔ)器中(store)。控制流指令

分支；分支和鏈接,保存返回的地址,以恢復(fù)最先的次序；陷入系統(tǒng)代碼。ARM指令集Load-store結(jié)構(gòu)*指令格式指令格式3地址指令格式，在ARM狀態(tài)中使用2地址指令格式，在ARM和THUMB狀態(tài)下使用指令格式指令格式ARM指令編碼格式說明:Cond指令執(zhí)行的條件編碼Opcode指令操作符編碼s決定指令的操作是否影響CPSR的值Rd操作目標(biāo)寄存器編碼Rn包含第一操作數(shù)的寄存器編碼Shifter_operand表示第二操作數(shù)cond001opcodesRnRdShifter_operand31 2827

2524212019 16151211870ARM指令編碼格式cond001opcodesRnRdShiARM指令集ARM指令集數(shù)據(jù)處理指令

-1數(shù)據(jù)處理指令的類別：算術(shù)操作；按位邏輯操作；寄存器移位操作；比較操作。操作數(shù):32bits寬，有3種指定操作數(shù)的方式：來自寄存器；第二操作數(shù)可以是常數(shù)(立即數(shù))；移位寄存器操作數(shù)。結(jié)果:32bits寬,放在寄存器中：長乘法產(chǎn)生64位結(jié)果。數(shù)據(jù)處理指令-1數(shù)據(jù)處理指令的類別：數(shù)據(jù)處理指令

–2*cond00operand2#opcodeSRnRd312827262524212019161512110目的寄存器第一操作寄存器設(shè)置操作碼算術(shù)/邏輯功能8-bit立即數(shù)12511870#rotRm11765430#shiftRm025118765430RsSh010Shimmediatealignmentimmediateshiftlengthshifttypesecondoperandregister移位寄存器長度數(shù)據(jù)處理指令–2*cond00operand2#op數(shù)據(jù)處理指令

-3數(shù)據(jù)處理指令-3數(shù)據(jù)處理指令

-4ADDr0,r1,r2r0:=r1+r2ADCr0,r1,r2r0:=r1+r2+CSUBr0,r1,r2r0:=r1-r2SBCr0,r1,r2r0:=r1-r2+C-1RSBr0,r1,r2r0:=r2–r1RSCr0,r1,r2r0:=r2–r1+C-1算術(shù)操作按位邏輯操作ANDr0,r1,r2r0:=r1andr2ORRr0,r1,r2r0:=r1orr2EORr0,r1,r2r0:=r1xorr2BICr0,r1,r2r0:=r1and(not)r2寄存器移位MOVr0,r2r0:=r2MVNr0,r2r0:=notr2比較操作CMPr1,r2setcconr1-r2CMNr1,r2setcconr1+r2TSTr1,r2setcconr1andr2TEQr1,r2setcconr1xorr2數(shù)據(jù)處理指令-4ADDr0,r1,r2r0:=數(shù)據(jù)處理指令

-5立即數(shù)操作

立即數(shù)操作

=(0->255)x22n,0<=n<=12移位寄存器操作數(shù)第二個(gè)操作數(shù)在與第一個(gè)操作數(shù)合成之前，是服從于移位操作的ADDr3,r2,r1,LSL#3r3:=r2+8xr1ADDr5,r5,r3,LSLr2r5:=r5+2r2xr3ADDr3,r3,#3r3:=r3+3ANDr8,r7,#&ffr8:=r7[7:0],&forhex數(shù)據(jù)處理指令-5立即數(shù)操作

立即數(shù)操作=(0->25數(shù)據(jù)處理指令

-6移位操作在任何數(shù)據(jù)處理指令中,第二個(gè)寄存器操作數(shù)可以有應(yīng)用該操作數(shù)的移位操作。邏輯移位。LSL:邏輯左移字的最小位空位清零。LSR:邏輯右移字的最大位空位清零。數(shù)據(jù)處理指令-6移位操作數(shù)據(jù)處理指令

-7移位操作

(cont’d)算術(shù)移位；ASR:=LSR；ASL:算術(shù)左移；循環(huán)移位:ROR,RRX。數(shù)據(jù)處理指令-7移位操作(cont’d)條件碼標(biāo)志任何數(shù)據(jù)處理指令都可以設(shè)置條件碼

(N,Z,V,andC)適用于除比較操作外的所有數(shù)據(jù)處理指令。特殊的請(qǐng)求必須在匯編語言中實(shí)現(xiàn),這種請(qǐng)求是通過把”S”增加到選擇代碼中指定的。算術(shù)操作設(shè)置所有的標(biāo)志位(N,Z,C,andV)邏輯和移位操作設(shè)置NandZ當(dāng)無移位操作時(shí),保存V和V,或根據(jù)移位操作設(shè)置。ADDSr2,r2,r0;carryouttoC條件碼標(biāo)志任何數(shù)據(jù)處理指令都可以設(shè)置條件碼(N,Z,V乘法指令集在寄存器產(chǎn)生32位值乘法指令集乘法例子

(乘法,乘法累加器)注意最低

32-bits置于結(jié)果寄存器中,其余被忽略；

不支持第二立即操作數(shù)；結(jié)果寄存器與源寄存器必須不同；

if`S`bitissettheVispreservedand

theCisrenderedmeaningless。MULr4,r3,r2r4:=[r3xr2]<31:0>MLAr4,r3,r2,r1r4:=[r3xr2+r1]<31:0>乘法例子(乘法,乘法累加器)MULr4,r3,r2數(shù)據(jù)傳送指令

-1單指令傳送

(LDR,STR)單字(32bit),半字(6bit)以及字節(jié)(8bit)傳送；尋址寄存器偏移地址

=基址

寄存器偏移；立即數(shù)偏移地址=基址

立即數(shù)常數(shù)；后變址Post-indexing:modifyaddressafteruse；前變址Pre-indexing:modifyaddressbeforeuse；回寫如果可能,更新基址寄存器。數(shù)據(jù)傳送指令-1單指令傳送(LDR,STR)數(shù)據(jù)傳送指令

-2多數(shù)據(jù)傳送指令

(LDM,STM)load(LDM)或store(STM)當(dāng)前可訪問寄存器的任意子集；

使用堆棧:maintainingfulloremptystackswhichcangrowupordownmemory；上下文切換:保存或重新存儲(chǔ)工作寄存器；塊拷貝:在主存儲(chǔ)器中移動(dòng)大數(shù)據(jù)塊；尋址Pre/Postindexing；Autoincrementordecrement；回寫到基址寄存器Writebackthebaseregister。數(shù)據(jù)傳送指令-2多數(shù)據(jù)傳送指令(LDM,STM)數(shù)據(jù)傳送指令

-3單數(shù)據(jù)交換

(SWAP)在寄存器和外部存儲(chǔ)器之間交換字節(jié)或字；讀存儲(chǔ)器和寫存儲(chǔ)器是放在一起的；原子指令；執(zhí)行時(shí)不能中斷；當(dāng)‘LOCK’信號(hào)輸出操作時(shí),外部存儲(chǔ)器管理單元被鎖定,當(dāng)多線程操作時(shí)使程序同步(OS支持)；鎖定；信號(hào)量。數(shù)據(jù)傳送指令-3單數(shù)據(jù)交換(SWAP)數(shù)據(jù)傳送指令-4LDRr0,[r1]r0:=mem32[r1]STRr0,[r1]mem32[r1]:=r0Note:r1keepsawordaddress(2LSBsare0)LDRr0,[r1,#4]r0:=mem32[r1+4]寄存器間接尋址基址+偏移量尋址

(offsetofupto4Kbytes)LDRr0,[r1,#4]!r0:=mem32[r1+4]

r1:=r1+4自動(dòng)變址尋址LDRr0,[r1],#4r0:=mem32[r1]

r1:=r1+4后變址尋址LDRBr0,[r1]r0:=mem8[r1]Note:norestrictionsforr1單寄存器

loadandstore數(shù)據(jù)傳送指令-4LDRr0,[r1]r0:=me數(shù)據(jù)傳送指令

-5COPY: ADRr1,TABLE1 ;r1pointstoTABLE1 ADRr2,TABLE2 ;r2pointstoTABLE2LOOP: LDRr0,[r1] STRr0,[r2] ADDr1,r1,#4 ADDr2,r2,#4 ...TABLE1: ...TABLE2:...COPY: ADRr1,TABLE1 ;r1pointstoTABLE1 ADRr2,TABLE2 ;r2pointstoTABLE2LOOP: LDRr0,[r1],#4 STRr0,[r2],#4 ...TABLE1: ...TABLE2:...數(shù)據(jù)傳送指令-5COPY: ADRr1,TABLE1數(shù)據(jù)傳送指令-6塊拷貝數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在基本寄存器的上面地址或下面地址

地址增加或減少是在存儲(chǔ)第一個(gè)值之前或之后開始的LDMIAr1,{r0,r2,r5}r0:=mem32[r1]

r2:=mem32[r1+4]

r5:=mem32[r1+8]Note:寄存器的部分或全部都可以用單指令傳送Note:在表中的寄存器順序并不重要Note:在表中包括r15i將造成控制流的改變多寄存器數(shù)據(jù)傳送

[IncrementAfter]數(shù)據(jù)傳送指令-6塊拷貝LDMIAr1,{r0,r2多寄存器傳送尋址模式r5r1r9’r0r9STMIAr9!,{r0,r1,r5}100016100c16101816r1r5r9STMDAr9!,{r0,r1,r5}r0r9’100016100c16101816r5r9STMDBr9!,{r0,r1,r5}r1r0r9’100016100c16101816r5r1r0r9’r9STMIBr9!,{r0,r1,r5}100016100c16101816多寄存器傳送尋址模式r5r1r9’r0r9STMIAr9!條件執(zhí)行所有的ARM指令都可以條件執(zhí)行指令的執(zhí)行與否取決于CPSR寄存器的N,Z,CandV標(biāo)志位所有的Thumb指令都可以解壓成全部條件指令ConditionFieldininstruction0000=EQ-Zset(equal)0001=NE-Zclear(notequal)0010=CS-Cset(unsignedhigherorsame)0011=CC-Cclear(unsignedlower)0100=MI-Nset(negative)0101=PL-Nclear(positiveorzero)0110=VS-Vset(overflow)0111=VC-Vclear(nooverflow)1000=HI-CsetandZclear(unsignedhigher)1001=LS-CclearorZset(unsignedlowerorsame)1010=GE-NsetandVset,orNclearandVclear(greaterorequal)1011=LT-NsetandVclear,orNclearandVset(lessthan)1100=GT-Zclear,andeitherNsetandVset,orNclearandVclear(greaterthan)1101=LE-Zset,orNsetandVclear,orNclearandVset(lessthanorequal)1110=AL-always1111=NV-never條件執(zhí)行所有的ARM指令都可以條件執(zhí)行控制流指令控制流指令條件執(zhí)行條件執(zhí)行避免使用分支指令Example

CMPr0,#5 ; BEQBYPASS ;if(r0!=5){ ADDr1,r1,r0 ;r1:=r1+r0-r2 SUBr1,r1,r2 ;}BYPASS: ...

CMPr0,#5 ; ADDNEr1,r1,r0 ; SUBNEr1,r1,r2 ; ...使用條件執(zhí)行Note:add2–letterconditionafterthe3-letteropcode;if((a==b)&&(c==d))e++;CMPr0,r1CMPEQr2,r3ADDEQr4,r4,#1條件執(zhí)行條件執(zhí)行避免使用分支指令 CMPr0,#5 ;控制和分支指令控制指令分支和分支連接跳到希望的指令中；保存當(dāng)前的PC并返回(with‘L’bit)。分支和交換跳到期望的指令中與指令集交換Rm[0]==1:Subsequentinst.areTHUMB；Rm[0]==0:Subsequentinst.areARM.condRm0001001011111111111100312827654301L控制和分支指令控制指令condRm0001001PSR指令程序狀態(tài)寄存器訪問指令(MRS,MSR)MRS程序狀態(tài)寄存器到通用寄存器的數(shù)據(jù)傳送指令；MSR通用寄存器到程序狀態(tài)寄存器的數(shù)據(jù)傳送指令。PSR指令程序狀態(tài)寄存器訪問指令(MRS,MSR)ARM系統(tǒng)初始化過程簡介包括：中斷向量表；初始化存儲(chǔ)器系統(tǒng)；初始化堆棧；初始化有特殊要求的端口、設(shè)備；初始化應(yīng)用程序執(zhí)行環(huán)境；改變處理器模式；CALL主應(yīng)用程序。ARM系統(tǒng)初始化過程簡介包括：1.中斷向量表FIQ0x1C外部快速中斷IRQ0x18一般外部中斷(Reserved)0x14保留DataAbort0x10數(shù)據(jù)異常FrefetchAbort0x0C預(yù)取指異常Softwareint0x08軟件中斷Undef0x04未定義指令中斷Reset0x00復(fù)位中斷1.中斷向量表FIQ0x1C外部快速中斷IRQ0x18一般中斷向量表的程序AREABoot,CODE,READONLYENTRYBReset_handlerBUndef_HandlerBSWI_HandlerBPreAbort_HandlerB.;forreservedinterrupt,stophereBIRQ_handlerBFIQ_handler中斷向量表的程序AREABoot,CODE,READONL2.初始化存儲(chǔ)器系統(tǒng)存儲(chǔ)器的類型和時(shí)序配置。存儲(chǔ)器的地址分布。2.初始化存儲(chǔ)器系統(tǒng)存儲(chǔ)器的類型和時(shí)序配置。ROM地址的重映射(remap)0x0200（bootcode)0x0100(Reset_handler)……BReset_Handler0x0000Flash(remap)0x0204（bootcode)0x0200(Reset_handler)BReset_Handler0x0000RAMROM地址的重映射(remap)0x0200（bootco3.初始化堆棧ARM有7種執(zhí)行狀態(tài)，每一種狀態(tài)堆棧指針寄存器（SP）都是獨(dú)立的。對(duì)每一種模式都要定義SP寄存器的堆棧地址。3.初始化堆棧ARM有7種執(zhí)行狀態(tài)，每一種狀態(tài)堆棧指針寄存4.初始化有特殊要求的端口、設(shè)備如驅(qū)動(dòng)指示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的一些簡單的輸出設(shè)備，如LED，蜂鳴器等。一般外設(shè)初始化可以在系統(tǒng)初始化之后進(jìn)行。4.初始化有特殊要求的端口、設(shè)備如驅(qū)動(dòng)指示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的一5.初始化應(yīng)用程序執(zhí)行環(huán)境完成必要的從ROM到RAM的數(shù)據(jù)傳輸。5.初始化應(yīng)用程序執(zhí)行環(huán)境完成必要的從ROM到RAM的數(shù)據(jù)6.改變處理器模式管理員模式多種特權(quán)模式用戶運(yùn)行模式復(fù)位后默認(rèn)模式堆棧初始化