ARM教学系统--ARM体系结构及编程模型--课件

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1、提纲1 13 32 24 45 5ARM技术的应用领域及特点ARM 处理器的寄存器组织ARM处理器的工作模式ARM微处理器系列6 67 7第二章 ARM体系结构及编程模型ARM 异常处理ARM处理器的工作状态ARM处理器的存储器格式1ARMARMAdvanced RISC MachinesAdvanced RISC Machines qARM（Advanced RISC Machines），既可以认为是），既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。还可以认为是一种技术的名字。ARM技术的应用领域及

2、特点q1991年年ARM公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。计技术的授权。2ARM 公司的Chip less模式q世界各大半导体生产商从世界各大半导体生产商从ARMARM公司购买其设计的公司购买其设计的ARMARM微处微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的从而形成自己的ARMARM微处理器芯片进入市场。微处理器芯片进入市场。ARM技术的应用领域及特点q基于基于ARM技术的微处理器应用约占据了技术的微处理器应用约占据了32位位RISC微处微处 理器理器75以上的市场份

3、额，以上的市场份额，ARM技术正在逐步渗入到我们技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。生活的各个方面。q我国的我国的中兴集成电路、中兴集成电路、大唐电讯、中芯国际和上海华虹，大唐电讯、中芯国际和上海华虹，以及国外的一些公司如德州仪器、意法半导体、以及国外的一些公司如德州仪器、意法半导体、PhilipsPhilips、IntelIntel、SamsungSamsung等都推出了自己设计的基于等都推出了自己设计的基于ARMARM核的处理器。核的处理器。3ARM微处理器的应用领域 工业控制领域：作为工业控制领域：作为3232位位的的RISCRISC架构，基于架构，基于ARMARM核核的微控制器芯片不

4、但占据了高端微控制器市场的大的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展，域扩展，ARMARM微控制器的低功耗、高性价比，向传微控制器的低功耗、高性价比，向传统的统的8 8位位/16/16位微控制器提出了挑战。位微控制器提出了挑战。ARM技术的应用领域及特点q到目前为止，到目前为止，ARM微处理器及技术的应用已经广泛深微处理器及技术的应用已经广泛深入到国民经济的各个领域入到国民经济的各个领域4ARM微处理器的应用领域ARM技术的应用领域及特点q网络应用：随着宽带技术的推广，采用网络应用：随着宽带技术的

5、推广，采用ARM技术的技术的ADSL芯片正逐步获得竞争优势。此外，芯片正逐步获得竞争优势。此外，ARM在语音及视频在语音及视频处理上进行了优化，并获得广泛支持，也对处理上进行了优化，并获得广泛支持，也对DSP的应用领域的应用领域提出了挑战。提出了挑战。q消费类电子产品：消费类电子产品：ARM技术在目前流行的数字音频播技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用。放器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用。q成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用部分采用ARM技术。手机中的技术。手机中的32位位SIM智能卡也采用了

6、智能卡也采用了ARM技术。技术。q5ARM微处理器的特点低功耗、低成本、高性能低功耗、低成本、高性能采用RISC指令集ARM技术的应用领域及特点q低功耗、低成本、高性能低功耗、低成本、高性能使用大量的寄存器ARM/THUMB指令支持三/五级流水线6ARM微处理器的特点采用采用RISCRISC体系结构体系结构ARM技术的应用领域及特点q采用采用RISC架构的架构的ARM处理器一般具有如下特点：处理器一般具有如下特点：固定长度的指令格式，指令归整、简单、基固定长度的指令格式，指令归整、简单、基 本寻址方式有本寻址方式有23种；种；使用单周期指令，便于流水线操作执行；使用单周期指令，便于流水线操作执

7、行；大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作，只大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作，只有加载有加载/存储指令可以访问存储器，以提高指令的执行效率。存储指令可以访问存储器，以提高指令的执行效率。7ARM微处理器的特点大量使用寄存器大量使用寄存器ARM技术的应用领域及特点qARM 处理器共有处理器共有37个寄存器，被分为若干个组，这些个寄存器，被分为若干个组，这些寄存器包括：寄存器包括：31个通用寄存器，包括程序计数器（个通用寄存器，包括程序计数器（PC 指针），指针），均为均为32位的寄存器；位的寄存器；6个状态寄存器，用以标识个状态寄存器，用以标识CPU的工作状态及程的工作状

8、态及程序的运行状态，均为序的运行状态，均为32位。位。8ARM微处理器的特点高效的指令系统高效的指令系统ARM技术的应用领域及特点qARM微处理器支持两种指令集：微处理器支持两种指令集：ARM指令集和指令集和Thumb指令集。指令集。qARM指令为指令为32位的长度，位的长度，Thumb指令为指令为16位长度。位长度。qThumb指令集为指令集为ARM指令集的功能子集。指令集的功能子集。9ARM微处理器的特点其他技术其他技术ARM技术的应用领域及特点q除此以外，除此以外，ARM体系结构还采用了一些特别的技术，体系结构还采用了一些特别的技术，在保证高性能的前提下尽量缩小芯片的面积，并降低功耗：在

9、保证高性能的前提下尽量缩小芯片的面积，并降低功耗：q所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行，所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行，从而提高指令的执行效率。从而提高指令的执行效率。q可用加载可用加载/存储指令批量传输数据，以提高数据的传输效存储指令批量传输数据，以提高数据的传输效率。率。q可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理。可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理。q在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率。在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率。10ARM微处理器系列 ARM微处理器系列qARM7系列系列qARM9系列系列qARM9E系列系列q

10、ARM10E系列系列qSecurCore系列系列qIntel的的Xscaleq其中，其中，ARM7、ARM9、ARM9E和和ARM10为为4个通用处个通用处理器系列，每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同理器系列，每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。应用领域的需求。SecurCore系列专门为安全要求较高的应系列专门为安全要求较高的应用而设计。用而设计。11ARM7微处理器系列 qARM7系列是为低功耗的系列是为低功耗的32位位RISC处理器，最适合用于处理器，最适合用于对价位和功耗要求较高的消费类应用。对价位和功耗要求较高的消费类应用。ARM7系列有如下特系列有如下

11、特点：点：具有嵌入式具有嵌入式ICERT逻辑，调试开发方便；逻辑，调试开发方便；极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式产品；极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式产品；能够提供能够提供0.9MIPS/MHz的三级流水线结构；的三级流水线结构；代码密度高，并兼容代码密度高，并兼容16位的位的Thumb指令集；指令集；对操作系统的支持广泛，如对操作系统的支持广泛，如Windows CE、Linux、Palm OS等；等；指令系统与指令系统与ARM9系列、系列、ARM9E系列和系列和ARM10E系列兼容，便系列兼容，便于用户的产品升级换代；于用户的产品升级换代；主频最高可达主频最高可

12、达130M，高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复，高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂应用。杂应用。ARM微处理器系列12ARM7微处理器系列ARM微处理器系列q主要应用领域：工业控制、主要应用领域：工业控制、Internet设备、网络和调制设备、网络和调制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。qARM7系列微处理器包括如下几种类型的核：系列微处理器包括如下几种类型的核：ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ。其中，。其中，ARM7TMDIARM7TMDI是目是目前使用最广泛的前使用最广泛的3232位嵌入式位

13、嵌入式RISCRISC处理器，属低端处理器，属低端ARMARM处理器核。处理器核。TDMI的基本含义为：的基本含义为：T：支持：支持16位压缩指令集位压缩指令集Thumb；D：支持片上：支持片上Debug；M：内嵌硬件乘法器（：内嵌硬件乘法器（Multiplier）;I：嵌入式：嵌入式ICE，支持片上断点和调试点。，支持片上断点和调试点。13ARM9微处理器系列 ARM微处理器系列qARM9系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的表现。具有以下特点：表现。具有以下特点：5级整数流水线，指令执行效率更高。级整数流水线，指令执行效率更高。提供提供

14、1.1MIPS/MHz的哈佛结构。的哈佛结构。支持支持32位位ARM指令集和指令集和16位位Thumb指令集。指令集。支持支持32位的高速位的高速AMBA总线接口。总线接口。全性能的全性能的MMU，支持，支持Windows CE、Linux、Palm OS等多种等多种主流嵌入式操作系统。主流嵌入式操作系统。MPU支持实时操作系统。支持实时操作系统。支持数据支持数据Cache和指令和指令Cache，具有更高的指令和数据处理能力。，具有更高的指令和数据处理能力。14ARM9微处理器系列qARM9ARM9系列微处理器主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系列微处理器主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统

15、、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。ARM微处理器系列qARM9ARM9系列微处理器包含系列微处理器包含ARM920TARM920T、ARM922TARM922T和和ARM940TARM940T三种类三种类型，以适用于不同的应用场合。型，以适用于不同的应用场合。15ARM9E微处理器系列 ARM微处理器系列qARM9EARM9E系列微处理器的主要特点如下：系列微处理器的主要特点如下：支持支持DSP指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合。指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合。5级整数流水线，指令执行效率更高。级整数流水线，指令

16、执行效率更高。支持支持32位位ARM指令集和指令集和16位位Thumb指令集。指令集。支持支持32位的高速位的高速AMBA总线接口。总线接口。支持支持VFP9浮点处理协处理器。浮点处理协处理器。全性能的全性能的MMU，支持众多主流嵌入式操作系统。，支持众多主流嵌入式操作系统。支持数据支持数据Cache和指令和指令Cache，具有更高的处理能力。，具有更高的处理能力。主频最高可达主频最高可达300M。16ARM9E微处理器系列qARM9EARM9E系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费品、系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、存储设备和网络设备等领域。成像

17、设备、工业控制、存储设备和网络设备等领域。ARM微处理器系列qARM9EARM9E系列微处理器包含系列微处理器包含ARM926EJ-SARM926EJ-S、ARM946E-SARM946E-S和和ARM966E-SARM966E-S三种类型，以适用于不同的应用场合。三种类型，以适用于不同的应用场合。17ARM10E微处理器系列 ARM微处理器系列qARM10EARM10E系列微处理器的主要特点如下：系列微处理器的主要特点如下：支持支持DSP指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合。指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合。6级整数流水线，指令执行效率更高。级整数流水线，指令执行效率更高。支持支

18、持32位位ARM指令集和指令集和16位位Thumb指令集。指令集。支持支持32位的高速位的高速AMBA总线接口。总线接口。支持支持VFP10浮点处理协处理器。浮点处理协处理器。全性能的全性能的MMU，支持众多主流嵌入式操作系统。，支持众多主流嵌入式操作系统。支持数据支持数据Cache和指令和指令Cache，具有更高的处理能力。，具有更高的处理能力。主频最高可达主频最高可达400M。内嵌并行读内嵌并行读/写操作部件。写操作部件。18ARM10E微处理器系列qARM10EARM10E系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、通

19、信和信息系统等领域。费品、成像设备、工业控制、通信和信息系统等领域。ARM微处理器系列qARM10EARM10E系列微处理器包含系列微处理器包含ARM1020EARM1020E、ARM1022EARM1022E和和ARM1026EJ-SARM1026EJ-S三种类型，以适用于不同的应用场合。三种类型，以适用于不同的应用场合。19SecurCore微处理器系列 ARM微处理器系列qSecurCoreSecurCore系列微处理器除了具有系列微处理器除了具有ARMARM体系结构各种主要体系结构各种主要特点外，还在系统安全方面具有如下的特点：特点外，还在系统安全方面具有如下的特点：带有灵活的保护单元

20、，确保操作系统和应用数据的安全。带有灵活的保护单元，确保操作系统和应用数据的安全。采用软内核技术，防止外部对其进行扫描探测。采用软内核技术，防止外部对其进行扫描探测。可集成用户自己的安全特性和其他协处理器。可集成用户自己的安全特性和其他协处理器。20SecurCore微处理器系列qSecurCoreSecurCore系列微处理器主要应用于一些对安全性要求较高的系列微处理器主要应用于一些对安全性要求较高的应用产品及应用系统，如电子商务、电子政务、电子银行业务、应用产品及应用系统，如电子商务、电子政务、电子银行业务、网络和认证系统等领域。网络和认证系统等领域。ARM微处理器系列qSecurCore

21、SecurCore系列微处理器包含系列微处理器包含SecurCoreSecurCore SC100 SC100、SecurCore SecurCore SC110SC110、SecurCoreSecurCore SC200 SC200和和SecurCore SecurCore SC210SC210四种类型，以四种类型，以适用于不同的应用场合。适用于不同的应用场合。21StrongARM微处理器系列 ARM微处理器系列qIntel StrongARM处理器是便携式通讯产品和消费类电子处理器是便携式通讯产品和消费类电子产品的理想选择，已成功应用于多家公司的掌上电脑系产品的理想选择，已成功应用于多家

22、公司的掌上电脑系列产品。列产品。qIntel StrongARM SA-1100Intel StrongARM SA-1100处理器是采用处理器是采用ARMARM体系结构高体系结构高度集成的度集成的3232位位RISCRISC微处理器。它融合了微处理器。它融合了IntelIntel公司的设计公司的设计和处理技术以及和处理技术以及ARMARM体系结构的电源效率，采用在软件上体系结构的电源效率，采用在软件上兼容兼容ARMv4ARMv4体系结构、同时采用具有体系结构、同时采用具有IntelIntel技术优点的体技术优点的体系结构。系结构。22Xscale处理器 ARM微处理器系列qXscale Xs

23、cale 处理器是基于处理器是基于ARMv5TEARMv5TE体系结构的解决方案，是一体系结构的解决方案，是一款全性能、高性价比、低功耗的处理器。它支持款全性能、高性价比、低功耗的处理器。它支持1616位的位的ThumbThumb指令和指令和DSPDSP指令集，已使用在数字移动电话、个人数指令集，已使用在数字移动电话、个人数字助理和网络产品等场合。字助理和网络产品等场合。qXscale Xscale 处理器是处理器是IntelIntel目前主要推广的一款目前主要推广的一款ARMARM微处理器。微处理器。23ARM微处理器的工作状态 ARM微处理器的工作状态q从编程的角度看，从编程的角度看，AR

24、MARM微处理器的工作状态一般有两种，微处理器的工作状态一般有两种，并可在两种状态之间切换：并可在两种状态之间切换：ARM状态，此时处理器执行状态，此时处理器执行32位的字对齐的位的字对齐的ARM指令；指令；Thumb状态，此时处理器执行状态，此时处理器执行16位的、半字对齐的位的、半字对齐的Thumb指令。指令。24ARM与THUMBqTHUMB指令是ARM指令的子集ARM微处理器的工作状态q可以相互调用，只要遵循一定的调用规则qThumb指令与ARM指令的时间效率和空间效率关系为:存储空间约为ARM代码的6070指令数比ARM代码多约3040存储器为32位时ARM代码比Thumb代码快约4

25、0存储器为16位时Thumb比ARM代码快约4050使用Thumb代码，存储器的功耗会降低约3025状态切换方法 qARMARM指令集和指令集和ThumbThumb指令集均有切换处理器状态的指令，指令集均有切换处理器状态的指令，并可在两种工作状态之间切换，并可在两种工作状态之间切换，ARM微处理器的工作状态q在开始执行代码时，应该处于在开始执行代码时，应该处于ARMARM状态。状态。26进入进入ThumbThumb状态状态q当当操作数寄存器操作数寄存器的状态位（位的状态位（位0 0）为）为1 1时，可以采用执时，可以采用执行行BXBX指令的方法，使微处理器从指令的方法，使微处理器从ARMARM

26、状态切换到状态切换到ThumbThumb状态。状态。q当处理器处于当处理器处于ThumbThumb状态时发生异常（如状态时发生异常（如IRQIRQ、FIQFIQ、UndefUndef、AbortAbort、SWISWI等），则异常处理返回时，自动切等），则异常处理返回时，自动切换到换到ThumbThumb状态。状态。ARM微处理器的工作状态27切换到切换到ARMARM状态状态q当当操作数寄操作数寄存器的状态位为存器的状态位为0 0时，执行时，执行BXBX指令时可以使微处指令时可以使微处理器从理器从ThumbThumb状态切换到状态切换到ARMARM状态。状态。ARM微处理器的工作状态q在处理器

27、进行异常处理时，把在处理器进行异常处理时，把PCPC指针放入异常模式链接寄指针放入异常模式链接寄存器中，并从异常向量地址开始执行程序，也可以使处理存器中，并从异常向量地址开始执行程序，也可以使处理器切换到器切换到ARMARM状态。状态。28处理器模式处理器模式ARM微处理器的工作模式1.1.用户模式（用户模式（usrusr）：）：ARMARM处理器正常的程序执行状态处理器正常的程序执行状态2.2.快速中断模式（快速中断模式（fiqfiq）：用于高速数据传输或通道处理）：用于高速数据传输或通道处理3.3.外部中断模式（外部中断模式（irqirq）：用于通用的中断处理）：用于通用的中断处理4.4.

28、管理模式（管理模式（svcsvc）：操作系统使用的保护模式）：操作系统使用的保护模式5.5.数据访问终止模式（数据访问终止模式（abtabt）：用于虚拟存储及存储保护）：用于虚拟存储及存储保护6.6.未定义模式（未定义模式（undund）：当出现未定义指令终止时进入该模式）：当出现未定义指令终止时进入该模式7.7.系统模式（系统模式（syssys）：运行具有特权的操作系统任务）：运行具有特权的操作系统任务29用户模式和特权模式用户模式和特权模式ARM微处理器的工作模式q除了用户模式之外的其他除了用户模式之外的其他6 6种处理器模式称为种处理器模式称为特权模式特权模式q特权模式下，程序可以访问所

29、有的系统资源，也可以特权模式下，程序可以访问所有的系统资源，也可以任意地进行处理器模式的切换。任意地进行处理器模式的切换。q特权模式中，除系统模式外，其他特权模式中，除系统模式外，其他5 5种模式又称为种模式又称为异常异常模式模式q大多数的用户程序运行在用户模式下，此时，应用程大多数的用户程序运行在用户模式下，此时，应用程序不能够访问一些受操作系统保护的系统资源，应用序不能够访问一些受操作系统保护的系统资源，应用程序也不能直接进行处理器模式的切换。程序也不能直接进行处理器模式的切换。q用户模式下，当需要进行处理器模式切换时，应用程用户模式下，当需要进行处理器模式切换时，应用程序可以产生异常处理

30、，在异常处理中进行处理器模式序可以产生异常处理，在异常处理中进行处理器模式的切换。的切换。30模式切换模式切换ARM微处理器的工作模式q处理器模式可以通过软件进行切换，也可以通过外部中断处理器模式可以通过软件进行切换，也可以通过外部中断或者异常处理过程进行切换。或者异常处理过程进行切换。q当应用程序发生异常中断时，处理器进入相应的异常模式。当应用程序发生异常中断时，处理器进入相应的异常模式。在每一种异常模式下都有一组寄存器，供相应的异常处理程在每一种异常模式下都有一组寄存器，供相应的异常处理程序使用，这样就可以保证在进入异常模式时，用户模式下的序使用，这样就可以保证在进入异常模式时，用户模式下

31、的寄存器不被破坏。寄存器不被破坏。q系统模式并不是通过异常进入的，它和用户模式具有完全一样系统模式并不是通过异常进入的，它和用户模式具有完全一样的寄存器的寄存器。但是系统模式属于特权模式，可以访问所有的系统。但是系统模式属于特权模式，可以访问所有的系统资源，也可以直接进行处理器模式切换。它主要供操作系统任资源，也可以直接进行处理器模式切换。它主要供操作系统任务使用。通常操作系统的任务需要访问所有的系统资源，同时务使用。通常操作系统的任务需要访问所有的系统资源，同时该任务仍然使用用户模式的寄存器组，而不是使用异常模式下该任务仍然使用用户模式的寄存器组，而不是使用异常模式下相应的寄存器组，这样可以

32、保证当异常中断发生时任务状态不相应的寄存器组，这样可以保证当异常中断发生时任务状态不被破坏。被破坏。31ARMARM微处理器的存储器格式微处理器的存储器格式 qARMARM体系结构所支持的最大寻址空间为体系结构所支持的最大寻址空间为4GB4GB（2 23232字节）字节）ARM微处理器的存储器格式qARMARM体系结构将存储器看作是从零地址开始的字节的线体系结构将存储器看作是从零地址开始的字节的线性组合。从零字节到三字节放置第一个存储的字数据，性组合。从零字节到三字节放置第一个存储的字数据，从第四个字节到第七个字节放置第二个存储的字数据，从第四个字节到第七个字节放置第二个存储的字数据，依次排列

33、。依次排列。qARMARM体系结构可以用两种方法存储字数据，称之为大端体系结构可以用两种方法存储字数据，称之为大端格式和小端格式格式和小端格式 32ARMARM体系结构的存储器格式体系结构的存储器格式大端格式大端格式 ARM微处理器的存储器格式q在这种格式中，字数据的高字节存储在低地址中，而字在这种格式中，字数据的高字节存储在低地址中，而字数据的低字节则存放在高地址中数据的低字节则存放在高地址中33ARM体系结构的存储器格式小端格式 ARM微处理器的存储器格式q与大端存储格式相反，在小端存储格式中，低地址中存放与大端存储格式相反，在小端存储格式中，低地址中存放的是字数据的低字节，高地址存放的是

34、字数据的高字节的是字数据的低字节，高地址存放的是字数据的高字节34指令长度及数据类型 qARMARM微处理器的指令长度可以是微处理器的指令长度可以是3232位（在位（在ARMARM状态下），也状态下），也可以为可以为1616位（在位（在ThumbThumb状态下）。状态下）。ARM微处理器的存储器格式qARMARM微处理器中支持微处理器中支持字节字节（8 8位）、位）、半字半字（1616位）、位）、字字（3232位）位）三种数据类型，其中，字需要三种数据类型，其中，字需要4 4字节对齐（地址的低两位为字节对齐（地址的低两位为0 0）、半字需要）、半字需要2 2字节对齐（地址的最低位为字节对齐（

35、地址的最低位为0 0）35非对齐的存储访问操作 q在在ARMARM中，如果存储单元的地址没有遵守对齐规则，则中，如果存储单元的地址没有遵守对齐规则，则称为非对齐的存储访问操作。称为非对齐的存储访问操作。ARM微处理器的存储器格式1)1)非对齐的指令预取操作非对齐的指令预取操作2)2)非对齐的数据访问操作非对齐的数据访问操作36非对齐的指令预取操作 q当处理器处于当处理器处于ARMARM状态期间，如果写入到寄存器状态期间，如果写入到寄存器PCPC中的中的值是非字对齐的，要么指令执行的结果不可预知，要值是非字对齐的，要么指令执行的结果不可预知，要么地址值中最低两位被忽略。么地址值中最低两位被忽略。

36、ARM微处理器的存储器格式q当处理器处于当处理器处于THUMBTHUMB状态期间，如果写入到寄存器状态期间，如果写入到寄存器PCPC中中的值是非半字对齐的，要么指令执行的结果不可预知，的值是非半字对齐的，要么指令执行的结果不可预知，要么地址值中最低位被忽略。要么地址值中最低位被忽略。37非对齐的数据访问操作 q对于对于Load/StoreLoad/Store操作，如果是非对齐的数据访问操作，操作，如果是非对齐的数据访问操作，系统定义了三种可能的结果：系统定义了三种可能的结果：ARM微处理器的存储器格式执行的结果不可预知执行的结果不可预知忽略字单元地址的低两位的值，即访问地址为忽略字单元地址的低

37、两位的值，即访问地址为(address AND 0XFFFFFFFC)(address AND 0XFFFFFFFC)的字单元；忽略半字单元的字单元；忽略半字单元地址的最低位的值，即访问地址为地址的最低位的值，即访问地址为(address AND(address AND 0XFFFFFFFE)0XFFFFFFFE)的半字单元。的半字单元。忽略字单元地址的低两位的值；忽略半字单元地址的最忽略字单元地址的低两位的值；忽略半字单元地址的最低位的值；低位的值；由存储系统实现这种忽略由存储系统实现这种忽略。也就是说，。也就是说，这这时该地址值原封不动地送到存储系统。时该地址值原封不动地送到存储系统。q当

38、发生非对齐的数据访问时，到底采用上述三种方法中当发生非对齐的数据访问时，到底采用上述三种方法中的哪一种，是由各指令指定的。的哪一种，是由各指令指定的。38寄存器组织寄存器组织 qARMARM微处理器共有微处理器共有3737个个3232位寄存器，其中位寄存器，其中3131个为个为通用寄存器通用寄存器，6 6个为个为状态寄存器状态寄存器。q这些寄存器不能被同时访问，具体哪些寄存器是可编程访问的，这些寄存器不能被同时访问，具体哪些寄存器是可编程访问的，取决微处理器的工作状态及具体的运行模式。取决微处理器的工作状态及具体的运行模式。q在任何时候，通用寄存器在任何时候，通用寄存器R14R14R0R0、程

39、序计数器、程序计数器PCPC、一个或两个、一个或两个状态寄存器都是可访问的。状态寄存器都是可访问的。ARM微处理器的寄存器格式39ARM状态下的寄存器组织 q通用寄存器：通用寄存器包括R0R15，可以分为三类：未分组寄存器未分组寄存器R0R0R7R7分组寄存器分组寄存器R8R8R14R14程序计数器程序计数器PC(R15)PC(R15)ARM微处理器的寄存器格式40ARM状态下的寄存器组织ARM微处理器的寄存器格式41未分组寄存器未分组寄存器R0R0R7R7ARM微处理器的寄存器格式q在所有的运行模式下，未分组寄存器都指向同一个物理寄存器，他们未被系统用作特殊的用途，因此，在中断或异常处理进行

40、运行模式转换时，由于不同的处理器运行模式均使用相同的物理寄存器，可能会造成寄存器中数据的破坏，这一点在进行程序设计时应引起注意。42分组寄存器分组寄存器R8R8R12R12ARM微处理器的寄存器格式q每次所访问的物理寄存器与处理器当前的运行模式有关qR8R12：每个寄存器对应两个不同的物理寄存器当使用fiq模式时，访问寄存器R8_fiqR12_fiq；当使用除fiq模式以外的其他模式时，访问寄存器R8_usrR12_usr。43分组寄存器分组寄存器R13R13R14R14ARM微处理器的寄存器格式qR13、R14：每个寄存器对应6个不同的物理寄存器q其中的一个是用户模式与系统模式共用，另外5个

41、物理寄存器对应于其他5种不同的运行模式R13_R14_qmode为以下几种之一：usr、fiq、irq、svc、abt、und。44堆栈指针堆栈指针R13R13ARM微处理器的寄存器格式qR13在ARM指令中常用作堆栈指针，但这只是一种习惯用法，用户也可使用其他的寄存器作为堆栈指针。q在Thumb指令集中，某些指令强制性的要求使用R13作为堆栈指针。q由于处理器的每种运行模式均有自己独立的物理寄存器R13，在初始化部分，都要初始化每种模式下的R13，这样，当程序的运行进入异常模式时，可以将需要保护的寄存器放入R13所指向的堆栈，而当程序从异常模式返回时，则从对应的堆栈中恢复。45子程序连接寄存

42、器子程序连接寄存器R14R14ARM微处理器的寄存器格式qR14也称作子程序连接寄存器或连接寄存器LR。当执行BL子程序调用指令时，可以从R14中得到R15（程序计数器PC）的备份。其他情况下，R14用作通用寄存器。q在每一种运行模式下，都可用R14保存子程序的返回地址，当用BL或BLX指令调用子程序时，将PC的当前值拷贝给R14，执行完子程序后，又将R14的值拷贝回PC，即可完成子程序的调用返回。BLSUB1 SUB1:STMFD SP!,LR /*将将R14存入堆栈存入堆栈*/LDMFD SP！,PC /*完成子程序返回完成子程序返回*/46程序计数器程序计数器PC(R15)PC(R15)

43、ARM微处理器的寄存器格式qARMARM状态下，位状态下，位1:01:0为为0 0，位，位31:231:2用于保存用于保存PCPC；qThumbThumb状态下，位状态下，位00为为0 0，位，位31:131:1用于保存用于保存PCPC；qR15R15虽然也可用作通用寄存器，但一般不这么使用，因为虽然也可用作通用寄存器，但一般不这么使用，因为对对R15R15的使用有一些特殊的限制，当违反了这些限制时，的使用有一些特殊的限制，当违反了这些限制时，程序的执行结果是未知的。程序的执行结果是未知的。q由由于于ARM体体系系结结构构采采用用了了多多级级流流水水线线技技术术，对对于于ARM指指令令集集而而

44、言言，PC总总是是指指向向当当前前指指令令的的下两条指令的地址址，即即PC的值为的值为当前指令的地址值加当前指令的地址值加8个字节个字节。47程序状态寄存器程序状态寄存器(CPSR/SPSR)(CPSR/SPSR)q寄存器寄存器R16R16用作用作CPSR(CPSR(当前程序状态寄存器当前程序状态寄存器)，CPSRCPSR可在任何运可在任何运行模式下被访问，它包括条件标志位、中断禁止位、当前处行模式下被访问，它包括条件标志位、中断禁止位、当前处理器模式标志位，以及其他一些相关的控制和状态位。理器模式标志位，以及其他一些相关的控制和状态位。ARM微处理器的寄存器格式q每一种运行模式下又都有一个专

45、用的物理状态寄存器，称每一种运行模式下又都有一个专用的物理状态寄存器，称为为SPSRSPSR（备份的程序状态寄存器），（备份的程序状态寄存器），异常发生时，异常发生时，SPSRSPSR用用于保存于保存CPSRCPSR的值，从异常退出时则可由的值，从异常退出时则可由SPSRSPSR来恢复来恢复CPSRCPSR。q由于由于用户模式和系统模式不属于异常模式用户模式和系统模式不属于异常模式，他们没有，他们没有SPSRSPSR，当在这两种模式下访问，当在这两种模式下访问SPSRSPSR，结果是未知的。，结果是未知的。48ThumbThumb状态下的寄存器组织状态下的寄存器组织 qThumbThumb状态

46、下的寄存器集是状态下的寄存器集是ARMARM状态下寄存器集的一个子集状态下寄存器集的一个子集ARM微处理器的寄存器格式q程序可以直接访问程序可以直接访问8 8个个通用寄存器（通用寄存器（R7R7R0R0）、程序计数器）、程序计数器（PCPC）、堆栈指针（）、堆栈指针（SPSP）、连接寄存器（）、连接寄存器（LRLR）和）和CPSRCPSR。q同样，每一种特权模式下都有一组同样，每一种特权模式下都有一组SPSP、LRLR和和SPSRSPSR。49ThumbThumb状态下的寄存器组织图状态下的寄存器组织图ARM微处理器的寄存器格式50ThumbThumb状态下的寄存器与状态下的寄存器与ARMAR

47、M状态下的寄存器关系状态下的寄存器关系ARM微处理器的寄存器格式qThumbThumb状态下和状态下和ARMARM状态下的状态下的R0R0R7R7是相同的。是相同的。qThumbThumb状态下和状态下和ARMARM状态下的状态下的CPSRCPSR和所有的和所有的SPSRSPSR是相同的。是相同的。qThumbThumb状态下的状态下的SPSP对应于对应于ARMARM状态下的状态下的R13R13。qThumbThumb状态下的状态下的LRLR对应于对应于ARMARM状态下的状态下的R14R14。qThumbThumb状态下的程序计数器对应于状态下的程序计数器对应于ARMARM状态下状态下R15

48、R15。51ThumbThumb状态下的寄存器与状态下的寄存器与ARMARM状态下的寄存器关系图状态下的寄存器关系图ARM微处理器的寄存器格式52访问访问THUMB状态下的高位寄存器（状态下的高位寄存器（Hi-registers）q在在ThumbThumb状态下，高位寄存器状态下，高位寄存器R8R8R15R15并不是标准寄存器并不是标准寄存器集集的一部分，但可使用汇编语言程序的一部分，但可使用汇编语言程序受限制地访问受限制地访问受限制地访问受限制地访问这些寄存这些寄存器，将其器，将其用作快速的暂存器用作快速的暂存器。ARM微处理器的寄存器格式q使用使用带特殊变量带特殊变量的的MOVMOV指令指

49、令，数据可以在，数据可以在低位寄存器和高低位寄存器和高位寄存器之间进行传送位寄存器之间进行传送；高位寄存器的值可以使用；高位寄存器的值可以使用CMPCMP和和ADDADD指令进行比较或加上低位寄存器中的值。指令进行比较或加上低位寄存器中的值。53程序状态寄存器程序状态寄存器 ARM微处理器的寄存器格式qARMARM体系结构包含一个当前程序状态寄存器（体系结构包含一个当前程序状态寄存器（CPSRCPSR）和五）和五个备份的程序状态寄存器（个备份的程序状态寄存器（SPSRsSPSRs）。）。备份的程序状态寄备份的程序状态寄存器用存器用来进行来进行异常处理异常处理，其功能包括：，其功能包括：保存AL

50、U中的当前操作信息控制允许和禁止中断设置处理器的运行模式54程序状态寄存器的每一位的安排程序状态寄存器的每一位的安排 ARM微处理器的寄存器格式55程序状态寄存器的程序状态寄存器的条件码标志条件码标志 qN N、Z Z、C C、V V均为条件码标志位。它们的内容可被均为条件码标志位。它们的内容可被算术或逻算术或逻辑运算辑运算的结果所改变，并且的结果所改变，并且可以决定某条指令是否被执行可以决定某条指令是否被执行ARM微处理器的寄存器格式q在在ARMARM状态下，状态下，绝大多数绝大多数的指令都是的指令都是有条件执行有条件执行的。的。q在在ThumbThumb状态下，状态下，仅有分支指令仅有分支

51、指令是有是有条件执行的条件执行的。56影响标志位的指令影响标志位的指令标志位标志位含 义N N当用两个补码表示的带符号数进行运算时，当用两个补码表示的带符号数进行运算时，N=1 N=1 表示运算表示运算的结果为负数；的结果为负数；N=0 N=0 表示运算的结果为正数或零；表示运算的结果为正数或零；Z ZZ=1 Z=1 表示运算的结果为零；表示运算的结果为零；Z=0Z=0表示运算的结果为非表示运算的结果为非零零；C C加法运算结果进位时，加法运算结果进位时，C=1C=1，减法运算借位时，减法运算借位时，C=0C=0；移位操作的非加移位操作的非加/减运算指令，减运算指令，C C为移出的最后一位；为

52、移出的最后一位；其他的非加其他的非加/减运算指令，减运算指令，C C的值通常不改变。的值通常不改变。V V加加/减法运算指令，减法运算指令，V=1V=1表示符号位溢出。表示符号位溢出。对于其他的非加对于其他的非加/减运算指令，减运算指令，V V的值通常不改变。的值通常不改变。Q Q在在ARM v5ARM v5及以上版本的及以上版本的E E系列处理器中，系列处理器中，Q Q标志指示标志指示DSPDSP运运算指令是否溢出。在其他版本中，算指令是否溢出。在其他版本中，Q Q标志位无定义。标志位无定义。ARM微处理器的寄存器格式57程序状态寄存器的程序状态寄存器的控制位控制位 q状态寄存器的低状态寄存

53、器的低8 8位（位（I I、F F、T T和和M4M4：00）称为控制位，发生）称为控制位，发生异常时这些位可以被改变。如果处理器运行异常时这些位可以被改变。如果处理器运行特权模式特权模式，这些位，这些位也也可以由程序修改可以由程序修改。ARM微处理器的寄存器格式q中断禁止位中断禁止位I I、F F：I=1 I=1 禁止禁止IRQIRQ中断中断;F=1 F=1 禁止禁止FIQFIQ中断。中断。qT T标志位：该位反映处理器的运行状态标志位：该位反映处理器的运行状态ARMARM体系结构体系结构v5v5及以上的版本的及以上的版本的T T系列系列处理器，当该位处理器，当该位为为1 1时，程序运行于时

54、，程序运行于ThumbThumb状态，否则运行于状态，否则运行于ARMARM状态。状态。ARMARM体系结构体系结构v5v5及以上的版本的及以上的版本的非非T T系列系列处理器，当该处理器，当该位为位为1 1时，时，执行下一条指令以引起为定义的指令异常执行下一条指令以引起为定义的指令异常；当该位为当该位为0 0时，时，表示运行于表示运行于ARMARM状态状态。q运行模式位运行模式位M4M4：00是模式位，决定处理器的运行模式是模式位，决定处理器的运行模式 58处理器运行模式及可以访问的寄存器处理器运行模式及可以访问的寄存器M4：0处理器模式处理器模式可访问的寄存器可访问的寄存器0b10000用

55、户模式用户模式PC，CPSR,R0-R140b10001FIQ模式模式PC，CPSR,SPSR_fiq，R14_fiq-R8_fiq,R7R00b10010IRQ模式模式PC，CPSR,SPSR_irq，R14_irq,R13_irq,R12R00b10011管理模式管理模式PC，CPSR,SPSR_svc，R14_svc,R13_svc,R12R0,0b10111中止模式中止模式PC，CPSR,SPSR_abt，R14_abt,R13_abt,R12R0,0b11011未定义模式未定义模式PC，CPSR,SPSR_und，R14_und,R13_und,R12R0,0b11111系统模式系统

56、模式PC，CPSR（ARM v4及以上版本）及以上版本）,R14R0ARM微处理器的寄存器格式59异常（异常（ExceptionsExceptions）q当正常的程序执行流程发生暂时的停止时当正常的程序执行流程发生暂时的停止时，称之为异常称之为异常，例如处理一个外部的中断请求。在处理异常之前，当前处例如处理一个外部的中断请求。在处理异常之前，当前处理器的状态必须保留，这样当异常处理完成之后，当前程理器的状态必须保留，这样当异常处理完成之后，当前程序可以继续执行。处理器允许多个异常同时发生，它们将序可以继续执行。处理器允许多个异常同时发生，它们将会按固定的优先级进行处理。会按固定的优先级进行处理

57、。ARM异常处理qARMARM体系结构中的异常，与体系结构中的异常，与8 8位位/16/16位体系结构的中断有很位体系结构的中断有很大的相似之处，但异常与中断的概念并不完全等同。大的相似之处，但异常与中断的概念并不完全等同。60ARMARM体系结构所支持的异常类型体系结构所支持的异常类型 异常类型异常类型具体含义具体含义复位复位复位电平有效时，产生复位异常，程序复位电平有效时，产生复位异常，程序跳转到跳转到复位复位处理程序处执行。处理程序处执行。未定义指令未定义指令遇到不能处理的指令时，产生未定义指令异常。遇到不能处理的指令时，产生未定义指令异常。软件中断软件中断执行执行SWI指令产生，用于指

58、令产生，用于用户模式下的程序调用户模式下的程序调用特权操作指令。用特权操作指令。指令预取中指令预取中止止处理器预取指令的处理器预取指令的地址不存在地址不存在，或该地址，或该地址不允不允许当前指令访问许当前指令访问，产生指令预取中止异常。，产生指令预取中止异常。数据中止数据中止处理器数据访问指令的处理器数据访问指令的地址不存在地址不存在，或该地址，或该地址不允许当前指令访问不允许当前指令访问时，产生数据中止异常。时，产生数据中止异常。IRQ外部中断请求引脚有效，且外部中断请求引脚有效，且CPSR中的中的I位为位为0时，产生时，产生IRQ异常。异常。FIQ快速中断请求引脚有效，且快速中断请求引脚有

59、效，且CPSR中的中的F位为位为0时，产生时，产生FIQ异常。异常。ARM异常处理61对异常的响应对异常的响应 ARM异常处理q当一个异常出现以后，当一个异常出现以后，ARMARM微处理器会执行以下几步操作微处理器会执行以下几步操作将下一条指令的地址存入相应连接寄存器LR，以便程序在处理异常返回时能从正确的位置重新开始执行。将CPSR复制到相应的SPSR中。根据异常类型，强制设置CPSR的运行模式位。强制PC从相关的异常向量地址取下一条指令执行，从而跳转到相应的异常处理程序处。62R14_=Return LinkR14_=Return LinkSPSR_=CPSRSPSR_=CPSRCPSR4

60、:0=Exception Mode NumberCPSR4:0=Exception Mode NumberCPSR5=0CPSR5=0If =Reset or FIQ thenIf =Reset or FIQ thenCPSR6=1CPSR6=1CPSR7=1CPSR7=1PC=Exception Vector AddressPC=Exception Vector Address异常响应伪代码异常响应伪代码ARM异常处理q处理器处于处理器处于ThumbThumb状态，则当异常向量地址加载入状态，则当异常向量地址加载入PCPC时，时，处理器自动切换到处理器自动切换到ARMARM状态状态。ARMA

61、RM微处理器对异常的响应过微处理器对异常的响应过程用伪码可以描述为：程用伪码可以描述为：在ARM状态下执行禁止快速中断禁止正常中断转入异常入口地址63从从异常返回返回ARM异常处理q异常处理完毕之后，异常处理完毕之后，ARMARM微处理器会执行以下几步操作从微处理器会执行以下几步操作从异常返回：异常返回：将连接寄存器LR的值减去相应的偏移量后送到PC中。将SPSR复制回CPSR中。若在进入异常处理时设置了中断禁止位，要在此清除。可以认为应用程序总是从复位异常处理程序开始执行的，因此复位异常处理程序不需要返回。64FIQ（Fast Interrupt Request）qFIQFIQ异常是为了支持

62、数据传输或者通道处理而设计的。异常是为了支持数据传输或者通道处理而设计的。ARM异常处理q若将若将CPSRCPSR的的F F位置为位置为1 1，则会禁止，则会禁止FIQFIQ中断，若将中断，若将CPSRCPSR的的F F位位清零，处理器会在指令执行时检查清零，处理器会在指令执行时检查FIQFIQ的输入。注意只有的输入。注意只有在在特权模式下才能改变特权模式下才能改变F F位的状态位的状态。q可由外部通过对处理器上的可由外部通过对处理器上的nFIQnFIQ引脚输入低电平产生引脚输入低电平产生FIQFIQ。不管是在不管是在ARMARM状态还是在状态还是在ThumbThumb状态下进入状态下进入FI

63、QFIQ模式，模式，FIQFIQ处处理程序均可以执行以下指令理程序均可以执行以下指令从从FIQFIQ模式返模式返回：回：SUBS PC,R14_fiq,#4SUBS PC,R14_fiq,#465IRQ（Interrupt Request）qIRQIRQ异常属于正常的中断请求，可通过对处理器的异常属于正常的中断请求，可通过对处理器的nIRQnIRQ引引脚输入低电平产生脚输入低电平产生，IRQIRQ的的优先级低于优先级低于FIQFIQ，当程序执行进，当程序执行进入入FIQFIQ异常时，异常时，IRQIRQ可能被屏蔽可能被屏蔽。ARM异常处理q若将若将CPSRCPSR的的I I位置为位置为1 1，

64、则会禁止，则会禁止IRQIRQ中断，若将中断，若将CPSRCPSR的的I I位位清零，处理器会在指令执行完之前检查清零，处理器会在指令执行完之前检查IRQIRQ的输入。注意的输入。注意只有在只有在特权模式下才能改变特权模式下才能改变I I位的状态位的状态。q不管是在不管是在ARMARM状态还是在状态还是在ThumbThumb状态下进入状态下进入IRQIRQ模式，模式，IRQIRQ处处理程序均可以执行以下指令理程序均可以执行以下指令从从IRQIRQ模式返回模式返回：SUBS PC,R14_irq,#4SUBS PC,R14_irq,#466ABORT（中止）（中止）q产生中止异常意味着产生中止异

65、常意味着对存储器的访问失败对存储器的访问失败。ARMARM微处理器微处理器在存储器访问周期内检查是否发生中止异常。在存储器访问周期内检查是否发生中止异常。ARM异常处理q中止异常包括两种类型：中止异常包括两种类型：指令预取中止：发生在指令预取时。指令预取中止：发生在指令预取时。数据中止：发生在数据访问时。数据中止：发生在数据访问时。q当指令预取访问存储器失败时，存储器系统向当指令预取访问存储器失败时，存储器系统向ARMARM处理器发出存储器处理器发出存储器中止（中止（AbortAbort）信号，预取的指令被记为无效，但只有当处理器试图）信号，预取的指令被记为无效，但只有当处理器试图执行无效指令

66、时，指令预取中止异常才会发生，如果指令未被执行，执行无效指令时，指令预取中止异常才会发生，如果指令未被执行，例如在指令流水线中发生了跳转，则预取指令中止不会发生。例如在指令流水线中发生了跳转，则预取指令中止不会发生。q若数据中止发生，系统的响应与指令的类型有关。若数据中止发生，系统的响应与指令的类型有关。q当确定了中止的原因后，当确定了中止的原因后，AbortAbort处理程序均可以执行以下指令处理程序均可以执行以下指令从中止从中止模式返回模式返回，无论是在，无论是在ARMARM状态还是状态还是ThumbThumb状态：状态：SUBS PC,R14_abt,#4；指令预取中止；指令预取中止 SUBS PC,R14_abt,#8；数据中止；数据中止67Software Interruupt(软件中断)q软件中断指令（软件中断指令（SWISWI）用于进入管理模式用于进入管理模式，常用于请求执行，常用于请求执行特定的管理功能。软件中断处理程序执行以下指令特定的管理功能。软件中断处理程序执行以下指令可以从可以从SWISWI模式返回模式返回，无论是在，无论是在ARMARM状态还是状态还是Thum