嵌入式课件03

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1、3C H A P T E RARM7体系结构第3章 目录q 1.简介q 2.ARM7TDMIq 3.ARM7TDMI的模块和内部框图q 4.体系结构直接支持的数据类型q 5.处理器状态q 6.处理器模式q 7.内部寄存器q 8.程序状态寄存器q 9.异常q 10.复位q 11.存储器及存储器映射I/O第3章 目录q 1.简介q 2.ARM7TDMIq 3.ARM7TDMI的模块和内部框图q 4.体系结构直接支持的数据类型q 5.处理器状态q 6.处理器模式q 7.内部寄存器q 8.程序状态寄存器q 9.异常q 10.复位q 11.存储器及存储器映射I/O3.1 ARM简介nARM公司简介 AR

2、M是Advanced RISC Machines的缩写，它是一家微处理器行业的知名企业，该企业设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC（精简指令集）处理器。公司的特点是只设计芯片，而不生产。它将技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和OEM厂商，并提供服务。3.1 ARM简介nARM公司简介将技术授权给其它芯片厂商形成各具特色的ARM芯片.3.1 ARM简介n微处理器是整个系统的核心，通常由3大部分组成：控制单元、算术逻辑单元和寄存器。算术逻辑单元寄存器控制单元微处理器存储器输入输出3.1 ARM简介nARM处理器的应用n当前主要应用于消费类电子领域；n到目前为止，基于ARM技术的微处理器应用

3、约占据了32位嵌入式微处理器75以上的市场份额n全球80%的GSM/3G手机、99%的CDMA手机以及绝大多数PDA产品均采用ARM体系的嵌入式处理器，n“掌上计算”相关的所有领域皆为其所主宰。nARM技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。3.1 ARM简介nARM体系结构 ARM处理器为RISC芯片，其简单的结构使ARM内核非常小，这使得器件的功耗也非常低。它具有经典RISC的特点：大的、统一的寄存器文件；装载/保存结构，数据处理 操作只针对寄存器的内容，而不直接对存储器进行操作；简单的寻址模式;统一和固定长度的指令域，简化了指令的译码，便于指令流水线设计。3.1 ARM简介nARM体系结构

4、ARM体系结构的特点：每条数据处理指令都对算术逻辑单元和移位器控制，实现了ALU和移位器的最大利用；地址自动增加和减少寻址模式，优化程序循环；多寄存器装载和存储指令实现最大数据吞吐量;所有指令的条件执行实现最快速的代码执行。3.1 ARM简介n各ARM体系结构版本 ARM体系结构从最初开发到现在有了很大的改进，并仍在完善和发展。为了清楚的表达每个ARM应用实例所使用的指令集，ARM公司定义了6种主要的ARM指令集体系结构版本，以版本号V1V6表示。3.1 ARM简介n各ARM体系结构版本V1 该版本的ARM体系结构，只有26位的寻址空间，没有商业化，其特点为：基本的数据处理指令（不包括乘法）；

5、字节、字和半字加载/存储指令；具有分支指令，包括在子程序调用中使用的分支和链接指令；在操作系统调用中使用的软件中断指令。3.1 ARM简介n各ARM体系结构版本V2 同样为26位寻址空间，现在已经废弃不再使用，它相对V1版本有以下改进：具有乘法和乘加指令；支持协处理器；快速中断模式中的两个以上的分组寄存器；具有原子性加载/存储指令SWP和SWPB。3.1 ARM简介n各ARM体系结构版本V3 寻址范围扩展到32位（目前已废弃），具有独立的程序：具有乘法和乘加指令；支持协处理器；快速中断模式中具有的两个以上的分组寄存器；具有原子性加载/存储指令SWP和SWPB。3.1 ARM简介n各ARM体系结

6、构版本V4 不在为了与以前的版本兼容而支持26位体系结构，并明确了哪些指令会引起未定义指令异常发生，它相对V3版本作了以下的改进：半字加载/存储指令；字节和半字的加载和符号扩展指令；具有可以转换到Thumb状态的指令（BX）；增加了用户模式寄存器的新的特权处理器模式。3.1 ARM简介n各ARM体系结构版本V5 在V4版本的基础上，对现在指令的定义进行了必要的修正，对V4版本的体系结构进行了扩展并并增加了指令，具体如下：改进了ARM/Thumb状态之间的切换效率；E-增强型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,提供字节代码执行的硬件和优化软件加速功能。3.1 A

7、RM简介nARM处理器核简介 ARM公司开发了很多系列的ARM处理器核，目前最新的系列已经是ARM11了，而ARM6核以及更早的系列已经很罕见了。目前应用比较广泛的系列是：ARM7ARM9ARM9EARM10SecurCoreXscaleARM11Cortex预取（Fetch）译码（Decode）执行（Execute）预取（Fetch）译码（Decode）执行（Execute）访存（Memory）写入（Write）预取（Fetch）译码（Decode）发送（Issue）预取（Fetch）预取（Fetch）执行（Execute）访存（Memory）写入（Write）译码（Decode）发送（Is

8、sue）执行（Execute）转换（Snny）访存（Memory）写入（Write）ARM7ARM9ARM10ARM113.1 ARM简介项目ARM7ARM9ARM10ARM11流水线3568典型频率（MHz）80150260335功耗（mW/MHz）0.060.19（+cache）0.5（+cache）0.4（+cache）性能MIPS*/MHz0.971.11.31.2架构冯诺伊曼哈佛哈佛哈佛3.1 ARM简介ARM系列微处理器核特点ARM7ARM7TDMI：整数处理核ARM7TDMI 处理器的可综合版本；ARM720T：带MMU的处理器核心，支持操作系统；ARM7EJ-S：带有DSP和J

9、azelle TM 技术，能够实现Java加速功能l 冯诺伊曼体系结构；l ARMTDMI是目前应用最广的微处理器核l ARM720T带有MMU和8KB的指令数据混合cache；l ARM7EJ-执行ARMv5TEJ指令，5级流水线，提供Java加速指令，没有存储器保护。ARM9ARM920T：带有独立的16KB 数据和指令Cache；ARM922T：带有独立的8位KB 数据和指令Cache；ARM940T包括更小数据和指令Cache和一个MPUl 基于ARM9TDMI，带16位的Thumb指令集，增强代码密度最多到35%；l 在0.13m工艺下最高性能可达到300MIPS（Dhrystone

10、 2.1测试标准）；l 集成了数据和指令Chche；l 32位AMBA总线接口的MMU支持；l 可在0.18m、0.15m和0.13m工艺的硅芯片上实现。3.1 ARM简介ARM9EARM926EJ-S：Jazelle 技术，有MMU，可配置的数据和指令Cache,TCM接口；ARM946E-S：可配置的数据和指令Cache及TCM;ARM966E-S：针对要求高性能和低功耗的可预测的指令执行时间的硬实时应用设计 ARM968E-S：最小、功耗最小的 ARM9E系列处理器，针对嵌入式实时应用设计；lARM9E是针对微控制器、DSP和Java的单处理器解决方案；lARM Jazelle 技术提供

11、 8倍的 Java 加速性能(ARM926EJ-S)；l5-级整数流水线；l在0.13m工艺下最高性能可达到300MIPS（Dhrystone 2.1测试标准）；l可选择的 向量浮点单元VFP9 协处理器指令优秀海浮点性能，对于3D图形加速和实时控制可达到 215MFLOPS。l高性能的AHB总线，带MMUl可在0.18m,0.15m,0.13m工艺的硅芯片上实现。ARM10EARM1020E：带DSP指令集，在片调试功能，独立的32KB数据和指令Cache，MMU支持；ARM1022E：与ARM1020E相同，只是独立的数据和指令Cache变为16KB；ARM1026EJ-S：同时具有MPU

12、和MMU，可综合版本；l带分支预测的6级整数流水线；l在0.13m工艺下最高性能可达到430MIPS（Dhrystone 2.1测试标准）；l对于3D图形运算和实时控制采用VFP协处理器，浮点运算性能最高可达650MFLOPS；l双64位AMBA总线接口和64位内部总路线接口；l优化的缓存结构提高了处理器访问低速存储器的性能；l可在0.18m,0.15m,0.13m工艺的硅芯片上实现3.1 ARM简介ARM11ARM11 MPCore：可综合的多处理器核，1至4个处理器可配置；ARM1136J(F)-S：可配置的数据和指令Cache，可提供1.9位的MPEG4编码加速功能；ARM1156T2(

13、F)-S：带集成浮点协处理器，带内存保护单元MPU；ARM1176JZ(F)-S：带针对CPU和系统安全架构扩展的TrustZone技术。l增强的Thumb、Jazelle、DSP扩展支持；l带片上和系统安全TrustZone 技术支持；l在0.13m工艺下最高可达到550MHz；lMPCore在0.13m工艺下最高性能可达到740MIPS（Dhrystone 2.1测试标准）；l支持多媒体指令SIMD；l采用三种电源模式：全速/待命/休眠l集成DMA的TCMl低功耗、高性能。SecurCoreSC100：第一个32位安全处理器；、SC110：在SC100上增加密钥协处理器；SC200：带Ja

14、zelle技术的高级安全处理器；SC210：在SC200上增加密钥协处理器lSecurCore是专门为智能卡、安全IC提供的32位安全处理器，为电子商务、银行、网络、移动多媒体、公共交通提供安全解决方案；l体积小、功耗低，代码压缩密度高；l为快速增长的Java卡平台提供Java加速功能；3.1 ARM简介CortexCortex-A：面向应用的微处理器，针对复杂操作系统和应用程序设计；Cortex-R：针对实时系统的嵌入式处理器；Cortex-M：针对成本敏感应用优化的深度嵌入式处理器；l2004年发布，提供增强的媒体和数字处理能力，增加了系统性能；l支持ARM、Thumb、Thumb-2指令

15、集；lThumb-2指令集提供了更高的代码存储密度，进一步降低成本；Intel系列StrongARM：ARMv4体系XScale：ARMv5TE体系，增加MMX指令lStrongARM主要应用于手持设备和PDA，5级流水线，具有独立的数据和指令Cache，不支持Thumb指令集，目前已停产；lXScale是目前Intel公司主推的高性能嵌入式处理器，分通用处理器、网络处理器和I/O处理器三类。其中通用处理器有PXA25x、PXA26x、PXA27x三个系列，被广泛应用于智能手机、PDA领域。3.1 ARM简介第3章 目录q 1.简介q 2.ARM7TDMIq 3.ARM7TDMI的模块和内部框

16、图q 4.体系结构直接支持的数据类型q 5.处理器状态q 6.处理器模式q 7.内部寄存器q 8.程序状态寄存器q 9.异常q 10.复位q 11.存储器及存储器映射I/O3.2 ARM7TDMIn简介 ARM7TDMI基于ARM体系结构V4版本，是目前低端的ARM核。具有广泛的应用，其最显著的应用为数字移动电话。注意：“ARM核”并不是芯片，ARM核与其它部件如RAM、ROM、片内外设组合在一起才能构成现实的芯片。3.2 ARM7TDMIn简介 ARM7TDMI支持32位寻址范围，并弥补了ARM6不能在低于5V电源电压下工作的不足。ARM7TDMI的后缀意义为：支持高密度16位的Thumb指

17、令集；支持片上调试；支持64位乘法；支持Embeded-ICE观察硬件；ARM7TDMI 的可综合（synthesizable）版本（软核），对应用工程师来说其编程模型与ARM7TDMI 一致；ARM7 T D M I-S3.2 ARM7TDMIn简介 ARM7TDMI处理器是ARM通用32位微处理器家族的成员之一。它具有优异的性能，但功耗却很低，使用门的数量也很少。它属于精简指令集计算机（RISC），比复杂指令集计算机（CISC）要简单得多。这样的简化实现了：高的指令吞吐量；出色的实时中断响应；小的、高性价比的处理器宏单元。3.2 ARM7TDMIn三级流水线 ARM7TDMI处理器使用流水

18、线来增加处理器指令流的速度。这样可使几个操作同时进行，并使处理和存储器系统连续操作，能提供0.9MIPS/MHz的指令执行速度。ARM7TDMI的流水线分3级，分别为：取指译码执行3.2 ARM7TDMIn存储器访问 ARM7TDMI处理器使用了冯诺依曼（Von Neumann）结构，指令和数据共用一条32位总线。只有装载、存储和交换指令可以对存储器中的数据进行访问。数据可以是字节（8位）、半字（16位）或者字（32位）。第3章 目录q 1.简介q 2.ARM7TDMIq 3.ARM7TDMI的模块和内部框图q 4.体系结构直接支持的数据类型q 5.处理器状态q 6.处理器模式q 7.内部寄存

19、器q 8.程序状态寄存器q 9.异常q 10.复位q 11.存储器及存储器映射I/O3.3 系统内部结构图 nARM7TDMI处理器部件和主要信号路径的框图如图所示。它内部由处理器核、用于边界扫描的TAP控制器和在线仿真器ICE组成。双向数据总线D31：0被分割成单向输入和输出总线，以便于与外部存储器兼容。3.3 ARM7TDMI的模块和内核框图ARM7TDMI模块地址寄存器寄存器组31*32位寄存器（6个状态寄存器）地址增量器乘法器桶形移位器32位ALU写数据寄存器指令流水线读数据寄存器Thumb指令译码器指令译码和逻辑控制ADDR31:0CLKCLENCFGBIGENDnIRQnFIQnR

20、ESETABORTLOCKWRITESIZE1:0PROT1:0TRANS1:0DBG输出DBG输入CP控制CP握手WDATA31:0RDATA31:0扫描调试控制A总线B总线ALU总线增量器总线PC总线3.3 ARM7TDMI功能信号图 ARM7TDMI第3章 目录q 1.简介q 2.ARM7TDMIq 3.ARM7TDMI的模块和内部框图q 4.体系结构直接支持的数据类型q 5.处理器状态q 6.处理器模式q 7.内部寄存器q 8.程序状态寄存器q 9.异常q 10.复位q 11.存储器及存储器映射I/O3.4 体系结构直接支持的数据类型n体系结构直接支持的数据类型ARM处理器支持下列数据

21、类型：字节 8位半字 16位（必须分配为占用两个字节）字 32位（必须分配为占用4各字节）1112342n体系结构直接支持的数据类型注意：V4版本之后的ARM结构都支持这3种结构（包括V4版本），而以前的版本只支持字节和字；当数据类型定义为无符号型时，N位数据值使用正常的二进制格式表示范围为02N-1的非负整数；当数据类型定义为有符号型时，N位数据值使用2的补码格式表示范围为-2N-1+2N-1-1的整数；3.4 体系结构直接支持的数据类型n体系结构直接支持的数据类型注意：所有数据操作，例如ADD，都以字为单位；装载和保存指令可以对字节、半字和字进行操作，当装载字节或半字时自动实现零扩展或符号

22、扩展；ARM指令的长度刚好是1个字（分配为占用4个字节），Thumb指令的长度刚好是半字（占用2个字节）。3.4 体系结构直接支持的数据类型第3章 目录q 1.简介q 2.ARM7TDMIq 3.ARM7TDMI的模块和内部框图q 4.体系结构直接支持的数据类型q 5.处理器状态q 6.处理器模式q 7.内部寄存器q 8.程序状态寄存器q 9.异常q 10.复位q 11.存储器及存储器映射I/O3.5 处理器状态n处理器状态 ARM7TDMI处理器内核使用V4T版本的ARM结构，该结构包含32位ARM指令集和16位Thumb指令集。因此ARM7TDMI处理器有两种操作状态：ARM状态：32位，

23、这种状态下执行的是字方式的ARM指令；Thumb状态：16位，这种状态下执行半字方式的ARM指令。注意：两个状态之间的切换并不影响处理器模式或寄存器内容。3.5 处理器状态n处理器状态 使用BX指令将ARM7TDMI内核的操作状态在ARM状态和Thumb状态之间进行切换（详见第4章），程序如下所示。;从Arm状态切换到Thumb状态 LDR R0,=Lable+1 BX R0;从Thumb状态切换到ARM状态 LDR R0,=Lable BX R0地址最低位为1，表示切换到Thumb状态地址最低位为0，表示切换到ARM状态跳转地址标号第3章 目录q 1.简介q 2.ARM7TDMIq 3.AR

24、M7TDMI的模块和内部框图q 4.体系结构直接支持的数据类型q 5.处理器状态q 6.处理器模式q 7.内部寄存器q 8.程序状态寄存器q 9.异常q 10.复位q 11.存储器及存储器映射I/O处理器模式说明备注 用户 (usr)正常程序执行模式不能直接切换到其它模式 系统 (sys)运行操作系统的特权任务与用户模式类似，但具有可以直接切换到其它模式等特权 快中断 (fiq)支持高速数据传输及通道处理FIQ异常响应时进入此模式 中断 (irq)用于通用中断处理IRQ异常响应时进入此模式 管理 (svc)操作系统保护模式系统复位和软件中断响应时进入此模式 中止 (abt)用于支持虚拟内存和/

25、或存储器保护在ARM7TDMI没有大用处 未定义 (und)支持硬件协处理器的软件仿真未定义指令异常响应时进入此模式3.6 处理器模式n处理器7种模式3.6 处理器模式n特权模式处理器模式说明备注 用户 (usr)正常程序工作模式不能直接切换到其它模式 系统 (sys)用于支持操作系统的特权任务等与用户模式类似，但具有可以直接切换到其它模式等特权 快中断 (fiq)支持高速数据传输及通道处理FIQ异常响应时进入此模式 中断 (irq)用于通用中断处理IRQ异常响应时进入此模式 管理 (svc)操作系统保护代码系统复位和软件中断响应时进入此模式 中止 (abt)用于支持虚拟内存和/或存储器保护在

26、ARM7TDMI没有大用处 未定义 (und)支持硬件协处理器的软件仿真未定义指令异常响应时进入此模式 除用户模式外，其它模式均为特权模式。ARM内部寄存器和一些片内外设在硬件设计上只允许（或者可选为只允许）特权模式下访问。此外，特权模式可以自由的切换处理器模式，而用户模式不能直接切换到别的模式。未定义 (und)中止 (abt)管理 (svc)中断 (irq)快中断 (fiq)系统 (sys)3.6 处理器模式n异常模式处理器模式说明备注 用户 (usr)正常程序工作模式不能直接切换到其它模式 系统 (sys)用于支持操作系统的特权任务等与用户模式类似，但具有可以直接切换到其它模式等特权 快

27、中断 (fiq)支持高速数据传输及通道处理FIQ异常响应时进入此模式 中断 (irq)用于通用中断处理IRQ异常响应时进入此模式 管理 (svc)操作系统保护代码系统复位和软件中断响应时进入此模式 中止 (abt)用于支持虚拟内存和/或存储器保护在ARM7TDMI没有大用处 未定义 (und)支持硬件协处理器的软件仿真未定义指令异常响应时进入此模式 未定义 (und)中止 (abt)管理 (svc)中断 (irq)快中断 (fiq)这五种模式称为异常模式。它们除了可以通过程序切换进入外，也可以由特定的异常进入。当特定的异常出现时，处理器进入相应的模式。每种异常模式都有一些独立的寄存器，以避免异

28、常退出时用户模式的状态不可靠。3.6 处理器模式n用户和系统模式处理器模式说明备注 用户 (usr)正常程序工作模式不能直接切换到其它模式 系统 (sys)用于支持操作系统的特权任务等与用户模式类似，但具有可以直接切换到其它模式等特权 快中断 (fiq)支持高速数据传输及通道处理FIQ异常响应时进入此模式 中断 (irq)用于通用中断处理IRQ异常响应时进入此模式 管理 (svc)操作系统保护代码系统复位和软件中断响应时进入此模式 中止 (abt)用于支持虚拟内存和/或存储器保护在ARM7TDMI没有大用处 未定义 (und)支持硬件协处理器的软件仿真未定义指令异常响应时进入此模式 这两种模式

29、都不能由异常进入，而且它们使用完全相同的寄存器组。系统模式是特权模式，不受用户模式的限制。操作系统在该模式下访问用户模式的寄存器就比较方便，而且操作系统的一些特权任务可以使用这个模式访问一些受控的资源。系统 (sys)用户 (usr)第3章 目录q 1.简介q 2.ARM7TDMIq 3.ARM7TDMI的模块和内部框图q 4.体系结构直接支持的数据类型q 5.处理器状态q 6.处理器模式q 7.内部寄存器q 8.程序状态寄存器q 9.异常q 10.复位q 11.存储器及存储器映射I/O3.7 内部寄存器n简介 在ARM7TDMI处理器内部有37个用户可见的寄存器。在不同的工作模式和处理器状态

30、下，程序员可以访问的寄存器也不尽相同。寄存器类别寄存器在汇编中的名称各模式下实际访问的寄存器用户系统管理中止未定义中断快中断通用寄存器和程序计数器R0(a1)R0R1(a2)R1R2(a3)R2R3(a4)R3R4(v1)R4R5(v2)R5R6(v3)R6R7(v4)R7R8(v5)R8R8_fiq*R9(SB,v6)R9R9_fiq*R10(SL,v7)R10R10_fiq*R11(FP,v8)R11R11_fiq*R12(IP)R12R12_fiq*R13(SP)R13R13_svc*R13_abt*R13_und*R13_irq*R13_fiq*R14(LR)R14R14_svc*R1

31、4_abt*R14_und*R14_irq*R14_fiq*R15(PC)R15状态寄存器R16(CPSR)CPSRSPSR无SPSR_abtSPSR_abtSPSR_undSPSR_irqSPSR_fiqARM状态各模式下的寄存器寄存器类别寄存器在汇编中的名称各模式下实际访问的寄存器用户系统管理中止未定义中断快中断通用寄存器和程序计数器R0(a1)R0R1(a2)R1R2(a3)R2R3(a4)R3R4(v1)R4R5(v2)R5R6(v3)R6R7(v4)R7R8(v5)R8R8_fiqR9(SB,v6)R9R9_fiqR10(SL,v7)R10R10_fiqR11(FP,v8)R11R1

32、1_fiqR12(IP)R12R12_fiqR13(SP)R13R13_svcR13_abtR13_undR13_irqR13_fiqR14(LR)R14R14_svcR14_abtR14_undR14_irqR14_fiqR15(PC)R15状态寄存器CPSRCPSRSPSR无SPSR_abtSPSR_abtSPSR_undSPSR_irqSPSR_fiqARM状态各模式下的寄存器SPSR_fiqSPSR_irqSPSR_undSPSR_abtSPSR_abtCPSRR15R14_fiqR14_irqR14_undR14_abtR14_svcR14R13_fiqR13_irqR13_undR

33、13_abtR13_svcR13R12_fiqR12R11_fiqR11R10_fiqR10R9_fiqR9R8_fiqR8R7R6R5R4R3R2R1R0所有的37个寄存器，分成两大类：31个通用32位寄存器；6个状态寄存器。寄存器类别寄存器在汇编中的名称各模式下实际访问的寄存器用户系统管理中止未定义中断快中断通用寄存器和程序计数器R0(a1)R0R1(a2)R1R2(a3)R2R3(a4)R3R4(v1)R4R5(v2)R5R6(v3)R6R7(v4)R7R8(v5)R8R8_fiqR9(SB,v6)R9R9_fiqR10(SL,v7)R10R10_fiqR11(FP,v8)R11R11_

34、fiqR12(IP)R12R12_fiqR13(SP)R13R13_svcR13_abtR13_undR13_irqR13_fiqR14(LR)R14R14_svcR14_abtR14_undR14_irqR14_fiqR15(PC)R15状态寄存器CPSRCPSRSPSR无SPSR_abtSPSR_abtSPSR_undSPSR_irqSPSR_fiq无CPSRR15R14R13R12R11R10R9R8R7R6R5R4R3R2R1R0用户无CPSRR15R14R13R12R11R10R9R8R7R6R5R4R3R2R1R0系统SPSR_abtCPSRR15R14_svcR13_svcR12

35、R11R10R9R8R7R6R5R4R3R2R1R0管理SPSR_abtCPSRR15R14_abtR13_abtR12R11R10R9R8R7R6R5R4R3R2R1R0中止SPSR_undCPSRR15R14_undR13_undR12R11R10R9R8R7R6R5R4R3R2R1R0未定义SPSR_irqCPSRR15R14_irqR13_irqR12R11R10R9R8R7R6R5R4R3R2R1R0中断SPSR_fiqCPSRR15R14_fiqR13_fiqR12_fiqR11_fiqR10_fiqR9_fiqR8_fiqR7R6R5R4R3R2R1R0快中断ARM状态各模式下可

36、以访问的寄存器寄存器类别寄存器在汇编中的名称各模式下实际访问的寄存器用户系统管理中止未定义中断快中断通用寄存器和程序计数器R0(a1)R0R1(a2)R1R2(a3)R2R3(a4)R3R4(v1)R4R5(v2)R5R6(v3)R6R7(v4)R7R8(v5)R8R8_fiqR9(SB,v6)R9R9_fiqR10(SL,v7)R10R10_fiqR11(FP,v8)R11R11_fiqR12(IP)R12R12_fiqR13(SP)R13R13_svcR13_abtR13_undR13_irqR13_fiqR14(LR)R14R14_svcR14_abtR14_undR14_irqR14_

37、fiqR15(PC)R15状态寄存器CPSRCPSRSPSR无SPSR_abtSPSR_abtSPSR_undSPSR_irqSPSR_fiq一般的通用寄存器R13_fiqR13_irqR13_undR13_abtR13_svcR13R12_fiqR12R11_fiqR11R10_fiqR10R9_fiqR9R8_fiqR8R7R6R5R4R3R2R1R0 在汇编语言中寄存器R0R13为保存数据或地址值的通用寄存器。它们是完全通用的寄存器，不会被体系结构作为特殊用途，并且可用于任何使用通用寄存器的指令。寄存器类别寄存器在汇编中的名称各模式下实际访问的寄存器用户系统管理中止未定义中断快中断通用寄

38、存器和程序计数器R0(a1)R0R1(a2)R1R2(a3)R2R3(a4)R3R4(v1)R4R5(v2)R5R6(v3)R6R7(v4)R7R8(v5)R8R8_fiqR9(SB,v6)R9R9_fiqR10(SL,v7)R10R10_fiqR11(FP,v8)R11R11_fiqR12(IP)R12R12_fiqR13(SP)R13R13_svcR13_abtR13_undR13_irqR13_fiqR14(LR)R14R14_svcR14_abtR14_undR14_irqR14_fiqR15(PC)R15状态寄存器CPSRCPSRSPSR无SPSR_abtSPSR_abtSPSR_u

39、ndSPSR_irqSPSR_fiq一般的通用寄存器R13_fiqR13_irqR13_undR13_abtR13_svcR13R12_fiqR12R11_fiqR11R10_fiqR10R9_fiqR9R8_fiqR8R7R6R5R4R3R2R1R0R7R6R5R4R3R2R1R0 其中R0R7为未分组的寄存器，也就是说对于任何处理器模式，这些寄存器都对应于相同的32位物理寄存器。寄存器类别寄存器在汇编中的名称各模式下实际访问的寄存器用户系统管理中止未定义中断快中断通用寄存器和程序计数器R0(a1)R0R1(a2)R1R2(a3)R2R3(a4)R3R4(v1)R4R5(v2)R5R6(v3

40、)R6R7(v4)R7R8(v5)R8R8_fiqR9(SB,v6)R9R9_fiqR10(SL,v7)R10R10_fiqR11(FP,v8)R11R11_fiqR12(IP)R12R12_fiqR13(SP)R13R13_svcR13_abtR13_undR13_irqR13_fiqR14(LR)R14R14_svcR14_abtR14_undR14_irqR14_fiqR15(PC)R15状态寄存器CPSRCPSRSPSR无SPSR_abtSPSR_abtSPSR_undSPSR_irqSPSR_fiq一般的通用寄存器R14_fiqR14_irqR14_undR14_abtR14_svc

41、R14R13_fiqR13_irqR13_undR13_abtR13_svcR13R12_fiqR12R11_fiqR11R10_fiqR10R9_fiqR9R8_fiqR8 寄存器R8R14为分组寄存器。它们所对应的物理寄存器取决于当前的处理器模式，几乎所有允许使用通用寄存器的指令都允许使用分组寄存器寄存器类别寄存器在汇编中的名称各模式下实际访问的寄存器用户系统管理中止未定义中断快中断通用寄存器和程序计数器R0(a1)R0R1(a2)R1R2(a3)R2R3(a4)R3R4(v1)R4R5(v2)R5R6(v3)R6R7(v4)R7R8(v5)R8R8_fiqR9(SB,v6)R9R9_fi

42、qR10(SL,v7)R10R10_fiqR11(FP,v8)R11R11_fiqR12(IP)R12R12_fiqR13(SP)R13R13_svcR13_abtR13_undR13_irqR13_fiqR14(LR)R14R14_svcR14_abtR14_undR14_irqR14_fiqR15(PC)R15状态寄存器CPSRCPSRSPSR无SPSR_abtSPSR_abtSPSR_undSPSR_irqSPSR_fiq一般的通用寄存器R12_fiqR12R11_fiqR11R10_fiqR10R9_fiqR9R8_fiqR8 寄存器R8R12有两个分组的物理寄存器。一个用于除FIQ模

43、式之外的所有寄存器模式，另一个用于FIQ模式。这样在发生FIQ中断后，可以加速FIQ的处理速度。寄存器类别寄存器在汇编中的名称各模式下实际访问的寄存器用户系统管理中止未定义中断快中断通用寄存器和程序计数器R0(a1)R0R1(a2)R1R2(a3)R2R3(a4)R3R4(v1)R4R5(v2)R5R6(v3)R6R7(v4)R7R8(v5)R8R8_fiqR9(SB,v6)R9R9_fiqR10(SL,v7)R10R10_fiqR11(FP,v8)R11R11_fiqR12(IP)R12R12_fiqR13(SP)R13R13_svcR13_abtR13_undR13_irqR13_fiqR

44、14(LR)R14R14_svcR14_abtR14_undR14_irqR14_fiqR15(PC)R15状态寄存器CPSRCPSRSPSR无SPSR_abtSPSR_abtSPSR_undSPSR_irqSPSR_fiq一般的通用寄存器 寄存器R13、R14分别有6个分组的物理寄存器。一个用于用户和系统模式，其余5个分别用于5种异常模式。R14_fiqR14_irqR14_undR14_abtR14_svcR14R13_fiqR13_irqR13_undR13_abtR13_svcR13寄存器类别寄存器在汇编中的名称各模式下实际访问的寄存器用户系统管理中止未定义中断快中断通用寄存器和程序计

45、数器R0(a1)R0R1(a2)R1R2(a3)R2R3(a4)R3R4(v1)R4R5(v2)R5R6(v3)R6R7(v4)R7R8(v5)R8R8_fiqR9(SB,v6)R9R9_fiqR10(SL,v7)R10R10_fiqR11(FP,v8)R11R11_fiqR12(IP)R12R12_fiqR13(SP)R13R13_svcR13_abtR13_undR13_irqR13_fiqR14(LR)R14R14_svcR14_abtR14_undR14_irqR14_fiqR15(PC)R15状态寄存器CPSRCPSRSPSR无SPSR_abtSPSR_abtSPSR_undSPSR

46、_irqSPSR_fiq堆栈指针寄存器R13（SP）寄存器R13常作为堆栈指针（SP）。在ARM指令集当中，没有以特殊方式使用R13的指令或其它功能，只是习惯上都这样使用。但是在Thumb指令集中存在使用R13的指令。寄存器类别寄存器在汇编中的名称各模式下实际访问的寄存器用户系统管理中止未定义中断快中断通用寄存器和程序计数器R0(a1)R0R1(a2)R1R2(a3)R2R3(a4)R3R4(v1)R4R5(v2)R5R6(v3)R6R7(v4)R7R8(v5)R8R8_fiqR9(SB,v6)R9R9_fiqR10(SL,v7)R10R10_fiqR11(FP,v8)R11R11_fiqR1

47、2(IP)R12R12_fiqR13(SP)R13R13_svcR13_abtR13_undR13_irqR13_fiqR14(LR)R14R14_svcR14_abtR14_undR14_irqR14_fiqR15(PC)R15状态寄存器CPSRCPSRSPSR无SPSR_abtSPSR_abtSPSR_undSPSR_irqSPSR_fiq链接寄存器R14（LR）R14为链接寄存器（LR），在结构上有两个特殊功能：在每种模式下，模式自身的R14版本用于保存子程序返回地址；当发生异常时，将R14对应的异常模式版本设置为异常返回地址（有些异常有一个小的固定偏移量）。Lable程序A程序BR14

48、3.7 内部寄存器nR14（LR）寄存器与子程序调用BL Lable地址A?MOV PC,LRR14(地址A)Lable?1.程序A执行过程中调用程序B；操作流程2.程序跳转至标号Lable，执行程序B。同时硬件将“BL Lable”指令的下一条指令所在地址存入R14（LR）；3.程序B执行最后，将R14寄存器的内容放入PC，返回程序A；3.7 内部寄存器nR14寄存器与异常发生 异常发生时，程序要跳转至异常服务程序，对返回地址的处理与子程序调用类似，都是由硬件完成的。区别在于有些异常有一个小常量的偏移。3.7 内部寄存器nR14寄存器注意要点 当发生异常嵌套时，这些异常之间可能会发生冲突。例

49、如：如果用户在用户模式下执行程序时发生了IRQ中断，用户模式寄存器不会被破坏。但是如果允许在IRQ模式下的中断处理程序重新使能IRQ中断，并且发生了嵌套的IRQ中断时，外部中断处理程序保存在R14_irq中的任何值都将被嵌套中断的返回地址所覆盖。3.7 内部寄存器nR14寄存器注意要点R14R14_irq用户模式下的程序IRQ模式下的程序AareturnB.XA地址A地址A1.执行用户模式下的程序；2.发生IRQ中断，硬件将某个地址存入IRQ模式下的R14_irq寄存器，用户模式下的R14没有被破坏；3.IRQ服务程序A执行完毕，将R14_irq寄存器的内容减去某个常量后存入PC，返回之前被中

50、断的程序；未被破坏R14_irq3.7 内部寄存器nR14寄存器注意要点R14R14_irq用户模式下的程序IRQ模式下的程序AaB.XA地址A地址A1.执行用户模式下的程序；2.发生IRQ中断，硬件将某个地址存入IRQ模式下的R14_irq寄存器，用户模式下的R14没有被破坏；3.IRQ服务程序A执行完毕，将R14_irq寄存器的内容减去某个常量后存入PC，返回之前被中断的程序；未被破坏IRQ模式下的程序BareturnB.XA地址B地址B4.如果在IRQ处理程序中打开IRQ中断，并且再次发生IRQ中断；5.硬件将返回地址保存在R14_irq寄存器中，原来保存的返回地址将被覆盖，造成错误；R

51、14_irq 被破坏6.在程序B返回到程序A，然后在返回到用户模式下被中断的程序时，发生错误，将不能正确返回；returnreturn 解决办法是确保R14的对应版本在发生中断嵌套时不再保存任何有意义的值（将R14入栈），或者切换到其它处理器模式下。寄存器类别寄存器在汇编中的名称各模式下实际访问的寄存器用户系统管理中止未定义中断快中断通用寄存器和程序计数器R0(a1)R0R1(a2)R1R2(a3)R2R3(a4)R3R4(v1)R4R5(v2)R5R6(v3)R6R7(v4)R7R8(v5)R8R8_fiqR9(SB,v6)R9R9_fiqR10(SL,v7)R10R10_fiqR11(FP

52、,v8)R11R11_fiqR12(IP)R12R12_fiqR13(SP)R13R13_svcR13_abtR13_undR13_irqR13_fiqR14(LR)R14R14_svcR14_abtR14_undR14_irqR14_fiqR15(PC)R15状态寄存器CPSRCPSRSPSR无SPSR_abtSPSR_abtSPSR_undSPSR_irqSPSR_fiq程序计数器R15（PC）寄存器R15为程序计数器（PC），它指向正在取指的地址。可以认为它是一个通用寄存器，但是对于它的使用有许多与指令相关的限制或特殊情况。如果R15使用的方式超出了这些限制，那么结果将是不可预测的。3.

53、7 内部寄存器n读R15的限制 正常操作时，从R15读取的值是处理器正在取指的地址，即当前正在执行指令的地址加上8个字节（两条ARM指令的长度）。由于ARM指令总是以字为单位，所以R15寄存器的最低两位总是为0。LDR R0,PC?PCPC-4PC-8正在执行正在译码正在取指流水线状态地址程序代码3.7 内部寄存器n读R15的限制 当使用STR或STM指令保存R15时，会有一个例外。这些指令可能将当前指令地址加8字节或加12字节保存（将来可能还有其它数字）。偏移量是8还是12取决于具体的ARM芯片，但是对于一个确定的芯片，这个值是一个常量。所以最好避免使用STR和STM指令来保存R15，如果很

54、难做到，那么应当在程序中计算出该芯片的偏移量。3.7 内部寄存器n读R15的限制计算偏移量(PC值和当前指令地址的差)程序代码：SUBR1,PC,#4;R1=下面STR指令的地址STRPC,R0;保存STR指令地址+偏移量LDRR0,R0;然后重装SUBR0,R0,R1;计算偏移量04812ARM状态3.7 内部寄存器n写R15的限制 正常操作时，写入R15 的值被当作一个指令地址，程序从这个地址处继续执行（相当于执行一次无条件跳转）。3.7 内部寄存器n写R15的限制 由于ARM指令以字节为边界，因此写入R15的值最低两位通常为0b00。具体的规则取决于内核结构的版本：在ARM结构V3版及以

55、下版本中，写入R15的值的最低两位被忽略，因此跳转地址由指令的实际目标地址（写入R15的值）和0 xFFFFFFFC相与得到；在ARM结构V4版及以上版本中，写入R15的值的最低两位为0，如果不是，结果将不可预测。寄存器类别寄存器在汇编中的名称各模式下实际访问的寄存器用户系统管理中止未定义中断快中断通用寄存器和程序计数器R0(a1)R0R1(a2)R1R2(a3)R2R3(a4)R3R4(v1)R4R5(v2)R5R6(v3)R6R7(v4)R7R8(v5)R8R8_fiqR9(SB,v6)R9R9_fiqR10(SL,v7)R10R10_fiqR11(FP,v8)R11R11_fiqR12(

56、IP)R12R12_fiqR13(SP)R13R13_svcR13_abtR13_undR13_irqR13_fiqR14(LR)R14R14_svcR14_abtR14_undR14_irqR14_fiqR15(PC)R15状态寄存器CPSRCPSRSPSR无SPSR_abtSPSR_abtSPSR_undSPSR_irqSPSR_fiq程序状态寄存器CPSR 寄存器CPSR为程序状态寄存器，在异常模式中，另外一个寄存器“程序状态保存寄存器（SPSR）”可以被访问。每种异常都有自己的SPSR，在进入异常时它保存CPSR的当前值，异常退出时可通过它恢复CPSR。详细描述参看3.8小节。3.7

57、内部寄存器nARM状态和Thumb状态之间寄存器的关系 Thumb状态寄存器与ARM状态寄存器有如下的关系：Thumb状态R0R7与ARM状态R0R7相同；Thumb状态CPSR和SPSR与ARM状态CPSR和SPSR相同；Thumb状态SP映射到ARM状态R13；Thumb状态LR映射到ARM状态R14；Thumb状态PC映射到ARM状态PC（R15）。R1 R2 R3 R4 R5 T humb R6 R7(C PSR)(SPSR)R1 R2 R3 R4 R5 A R M R6 R7 R8(C PSR)(SPSR)R9 R10 R11 R12 R0 R0 状态 状态 堆栈指针(SP)连接寄存

58、器(LR)程序计数器(PC)当前程序状态寄存器 被保存程序状态寄存器 堆栈指针(R13)连接寄存器(R14)程序计数器(R15)当前程序状态寄存器 被保存程序状态寄存器 Thumb状态寄存器在Arm状态寄存器上的映射R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 R11 R12 R0 堆栈指针(R13)连接寄存器(R14)程序计数器(R15)低寄存器高寄存器3.7 内部寄存器n在Thumb状态中访问高寄存器 在Thumb状态中，高寄存器（R8R15）不是标准寄存器集的一部分。汇编语言程序员对它们的访问受到限制。可以使用MOV、CMP和ADD指令对高寄存器操作，详见第4章。第3章

59、目录q 1.简介q 2.ARM7TDMIq 3.ARM7TDMI的模块和内部框图q 4.体系结构直接支持的数据类型q 5.处理器状态q 6.处理器模式q 7.内部寄存器q 8.程序状态寄存器q 9.异常q 10.复位q 11.存储器及存储器映射I/O3.8 程序状态寄存器n简介 ARM7TDMI内核包含1个CPSR和5个供异常处理程序使用的SPSR。CPSR反映了当前处理器的状态，其包含：4个条件代码标志（负(N)、零(Z)、进位(C)和溢出(V)）；2个中断禁止位，分别控制一种类型的中断；5个对当前处理器模式进行编码的位；1个用于指示当前执行指令(ARM还是Thumb)的位。NZCVIM0M

60、1M2M3M4TF.31 30 29 28 27 26 8 7 6 5 4 3 2 1 03.8 程序状态寄存器n简介条件代码标志保留控制位溢出标志 oVerflow进位或借位扩展 Carry零 Zero负或小于 NegativeIRQ禁止 InterruptFIQ禁止 Fast状态位 Thumb模式位 ModeNZCVIM0M1M2M3M4TFCPSR寄存器的格式3.8 程序状态寄存器n简介 每个异常模式还带有一个程序状态保存寄存器（SPSR），它用于保存在异常发生之前的CPSR。CPSR和SPSR通过特殊指令（MRS、MSR）进行访问。3.8 程序状态寄存器n条件代码标志 大多数“数值处理

61、指令”可以选择是否影响条件代码标志位。通常如果指令带S后缀，则该指令的执行会影响条件代码标志；但有一些指令的执行总是会影响条件代码标志。N、Z、C和V位都是条件代码标志。算术操作、逻辑操作、MSR或者LDM指令可以对这些位进行设置。所有ARM指令都可按条件来执行，而Thumb指令中只有分支指令可按条件执行。3.8 程序状态寄存器n条件代码标志各标志位的含义如下：N 运算结果的最高位反映在该标志位。对于有符号二进制补码，结果为负数时N=1，结果为正数或零时N=0；Z 指令结果为0时Z=1（通常表示比较结果“相等”），否则Z=0；3.8 程序状态寄存器n条件代码标志各标志位的含义如下：C 当进行加

62、法运算(包括CMN指令)，并且最高位产生进位时C=1，否则C=0。当进行减法运算(包括CMP 指令)，并且最高位产生借位时C=0，否则C=1。对于结合移位操作的非加法/减法指令，C为从最高位最后移出的值，其它指令C通常不变；V当进行加法/减法运算，并且发生有符号溢出时V=1，否则V=0，其它指令V通常不变。3.8 程序状态寄存器n控制位 CPSR的最低8位为控制位，当发生异常时，这些位被硬件改变。当处理器处于一个特权模式时，可用软件操作这些位。它们分别是：中断禁止位；T位；模式位。3.8 程序状态寄存器n控制位中断禁止位包括I和F位：当I位置位时，IRQ中断被禁止；当F位置位时，FIQ中断被禁

63、止。T位反映了正在操作的状态：当T位为1时，处理器正在Thumb状态下运行；当T位清零时，处理器正在ARM状态下运行。3.8 程序状态寄存器n控制位模式位包括M4、M3、M2、M1和M0，这些位决定处理器的操作模式。注意：不是所有模式位的组合都定义了有效的处理器模式，如果使用了错误的设置，将引起一个无法恢复的错误。M4:0模式可见的Thumb状态寄存器可见的ARM状态寄存器10000用户R0R7,SP,LR,PC,CPSRR0R14,PC,CPSR 10001快中断R0R7,SP_fiq,LR_fiq,PC,CPSR,SPSR_fiq R0R7,R8_fiqR14_fiq,PC,CPSR,SP

64、SR_fiq 10010中断R0R7,SP_irq,LR_irq,PC,CPSR,SPSR_fiq R0R12,R13_irq,R14_irq,PC,CPSR,SPSR_irq 10011管理R0R7,SP_svc,LR_svc,PC,CPSR,SPSR_svc R0R12,R13_svc,R14_svc,PC,CPSR,SPSR_svc 10111中止R0R7,SP_abt,LR_abt,PC,CPSR,SPSR_abt R0R12,R13_abt,R14_abt,PC,CPSR,SPSR_abt 11011未定义R0R7,SP_und,LR_und,PC,CPSR,SPSR_und R0R

65、12,R13_und,R14_und,PC,CPSR,SPSR_und11111系统R0R7,SP,LR,PC,CPSR R0R14,PC,CPSR CPSR模式位设置表3.8 程序状态寄存器n保留位 CPSR中的保留位被保留将来使用。为了提高程序的可移植性，当改变CPSR标志和控制位时，请不要改变这些保留位。另外，请确保程序的运行不受保留位的值影响，因为将来的处理器可能会将这些位设置为1或者0。第3章 目录q 1.简介q 2.ARM7TDMIq 3.ARM7TDMI的模块和内部框图q 4.体系结构直接支持的数据类型q 5.处理器状态q 6.处理器模式q 7.内部寄存器q 8.程序状态寄存器q

66、 9.异常q 10.复位q 11.存储器及存储器映射I/O3.9 异常n简介 只要正常的程序流被暂时中止，处理器就进入异常模式。例如响应一个来自外设的中断。在处理异常之前，ARM7TDMI内核保存当前的处理器状态（CPSR-SPSR），这样当处理程序结束时可以恢复执行原来的程序（SPSR-CPSR）。如果同时发生两个或更多异常，那么将按照固定的顺序来处理异常，详见“异常优先级”部分。异常入口/出口汇总异常类型返回指令之前的状态备注ARM R14_xThumb R14_xBLMOV PC,R14PC+4PC+2 此处PC为BL，SWI，为定义的指令取指或预取指中止指令的地址软件中断 SWIMOVS PC,R14_svcPC+4PC+2未定义的指令MOVS PC,R14_undPC+4PC+2预取指中止SUBS PC,R14_abt,#4PC+4PC+4快中断SUBS PC,R14_fiq,#4PC+4PC+4此处PC为由于FIQ或IRQ占先而没有被执行的指令的地址中断SUBS PC,R14_irq,#4PC+4PC+4数据中止SUBS PC,R14_abt,#8PC+8PC+8此处PC为