第13講-存儲(chǔ)機(jī)制

第十三講ARM存儲(chǔ)機(jī)制河南大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院授課人：金勇聯(lián)系電話mail：jy@計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)核心課程之一ARM存儲(chǔ)系統(tǒng)概述快速上下文切換技術(shù)高速緩沖區(qū)和寫(xiě)緩沖區(qū)ARM存儲(chǔ)器管理單元ARM存儲(chǔ)機(jī)制ARM存儲(chǔ)器訪問(wèn)指令3ARM存儲(chǔ)系統(tǒng)概述與其他中低檔單片機(jī)不同，ARM處理器中一般都包含一個(gè)存儲(chǔ)器管理部件，用于對(duì)存儲(chǔ)器的管理。為了適應(yīng)不同的嵌入式應(yīng)用，ARM存儲(chǔ)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)存在很多差別。簡(jiǎn)單的可以使用像單片機(jī)系統(tǒng)中使用的平板式地址映射機(jī)制即可；而一些復(fù)雜的系統(tǒng)中則可能包含多種技術(shù)來(lái)提供功能強(qiáng)大的存儲(chǔ)系統(tǒng)。4系統(tǒng)中可能包含多種類(lèi)型的存儲(chǔ)器件，如FLASH、ROM、SDRAM、SRAM等；而且不同類(lèi)型的存儲(chǔ)器件要求不同的速度、數(shù)據(jù)寬度等；通過(guò)CACHE和WRITEBUFFER技術(shù)縮小處理器和存儲(chǔ)系統(tǒng)速度差別，從而提高系統(tǒng)性能；內(nèi)存管理部件使用內(nèi)存映射技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬空間到物理空間的映射。引入存儲(chǔ)保護(hù)機(jī)制，增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性；引入一些機(jī)制保證I/O操作映射成內(nèi)存操作后，各種I/O操作能夠得到正確的結(jié)果。ARM存儲(chǔ)系統(tǒng)概述5S3C2410X的存儲(chǔ)器管理器提供訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器的所有控制信號(hào)：27位地址信號(hào)、32位數(shù)據(jù)信號(hào)、8個(gè)片選信號(hào)、以及讀/寫(xiě)控制信號(hào)等。S3C2410X的存儲(chǔ)空間分成8組，最大容量是1GB，bank0bank5為固定128MB，bank6和bank7的容量可編程改變，可以是2、4、8、16、32、64、128MB，并且bank7的開(kāi)始地址與bank6的結(jié)束地址相連接，但是二者的容量必須相等。bank0可以作為引導(dǎo)ROM，其數(shù)據(jù)線寬只能是16位和32位，復(fù)位時(shí)由OM0、OM1引腳確定；其它存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)線寬可以是8位、16位和32位。S3C2410X的存儲(chǔ)器格式，可以編程設(shè)置為大端格式，也可以設(shè)置為小端格式。ARM存儲(chǔ)器管理單元6S3C2410X存儲(chǔ)器組織示意圖ARM存儲(chǔ)器管理單元ARM存儲(chǔ)器管理單元寄存器地址功能操作復(fù)位值BWSCON0x48000000總線寬度和等待控制讀/寫(xiě)0x0BANKCON00x48000004BANK0控制讀/寫(xiě)0x0700BANKCON10x48000008BANK1控制讀/寫(xiě)0x0700BANKCON20x4800000CBANK2控制讀/寫(xiě)0x0700BANKCON30x48000010BANK3控制讀/寫(xiě)0x0700BANKCON40x48000014BANK4控制讀/寫(xiě)0x0700BANKCON50x48000018BANK5控制讀/寫(xiě)0x0700BANKCON60x4800001CBANK6控制讀/寫(xiě)0x18008BANKCON70x48000020BANK7控制讀/寫(xiě)0x18008REFRESH0x48000024SDRAM刷新控制讀/寫(xiě)0xAC0000BANKSIZE0x48000028可變的組大小設(shè)置讀/寫(xiě)0x0MRSRB60x4800002CBANK6模式設(shè)置讀/寫(xiě)xxxMRSRB70x48000030BANK7模式設(shè)置讀/寫(xiě)xxx13個(gè)控制寄存器為訪問(wèn)外部存儲(chǔ)空間提供存儲(chǔ)器控制信號(hào)。8用于存儲(chǔ)管理的系統(tǒng)控制協(xié)處理寄存器CP15在基于ARM的嵌入式系統(tǒng)中，存儲(chǔ)系統(tǒng)通常使用CP15來(lái)完成存儲(chǔ)器的大部分管理工作；除了CP15之外，在具體的存儲(chǔ)機(jī)制中可能還會(huì)用到其他技術(shù)如：頁(yè)表技術(shù)等。CP15可以保護(hù)16個(gè)32位的寄存器，編號(hào)0－15。實(shí)際上對(duì)于某些編號(hào)的寄存器可能對(duì)應(yīng)有多個(gè)物理寄存器，在指令中指定特定的標(biāo)志位來(lái)區(qū)分相應(yīng)的寄存器。ARM存儲(chǔ)器管理單元CP15寄存器列表－1寄存器編號(hào)基本作用在MMU中的作用0ID編碼（只讀）ID碼和Cache類(lèi)型1控制位各種控制位2存儲(chǔ)保護(hù)和控制地址轉(zhuǎn)換表基地址3存儲(chǔ)保護(hù)和控制域訪問(wèn)控制位4存儲(chǔ)保護(hù)和控制保留5存儲(chǔ)保護(hù)和控制內(nèi)存失效狀態(tài)6存儲(chǔ)保護(hù)和控制內(nèi)存失效地址ARM存儲(chǔ)器管理單元CP15寄存器列表－2寄存器編號(hào)基本作用在MMU中的作用7高速緩存和寫(xiě)緩存高速緩存和寫(xiě)緩存控制8存儲(chǔ)保護(hù)和控制TLB控制9高速緩存和寫(xiě)緩存高速緩存鎖定10存儲(chǔ)保護(hù)和控制TLB鎖定11保留

12保留

ARM存儲(chǔ)器管理單元11CP15寄存器列表－3寄存器編號(hào)基本作用在MMU中的作用13進(jìn)程標(biāo)識(shí)符進(jìn)程標(biāo)識(shí)符14保留

15因不同設(shè)計(jì)而異因不同設(shè)計(jì)而異ARM存儲(chǔ)器管理單元12訪問(wèn)CP15寄存器的指令訪問(wèn)CP15寄存器的指令有如下兩條：MCR Register->CoprocessorRegisterMRC CoprocessorRegister->Register【注】這兩條指令只能在系統(tǒng)模式下執(zhí)行；在用戶模式下執(zhí)行該指令將引起異常。ARM存儲(chǔ)器管理單元指令語(yǔ)法

MCR{cond}p15,<op1>,<Rd>,<CRn>,<CRm>{,<op2>}MCR2p15,<op1>,<Rd>,<CRn>,<CRm>{,<op2>}

OP1為協(xié)處理器將執(zhí)行的操作的代碼。對(duì)于CP15來(lái)說(shuō)，該值必須為0；Rd為源寄存器，其值將被傳送到協(xié)處理器中；該寄存器不能為PC；CRn是協(xié)處理器的目標(biāo)寄存器，可以是C0-15；CRm是附加的目標(biāo)寄存器或源操作數(shù)寄存器，用于區(qū)分同一編號(hào)的不同物理寄存器，當(dāng)指令中不需要附加信息時(shí)要將C0指定為CRm；OP2也提供附加信息，用于區(qū)分同一編號(hào)的不同物理寄存器，當(dāng)指令中不需要附加信息時(shí)，可以省略或者將其置0。ARM存儲(chǔ)器管理單元14MCR訪問(wèn)CP15示例 MCR P15,0,R4,C1,C0,0上述指令從ARM寄存器R4中將數(shù)據(jù)傳送到協(xié)處理器CP15的寄存器C1中。其中R4為ARM寄存器，存放源操作數(shù)；C1和C0為協(xié)處理器寄存器，為目標(biāo)寄存器；操作碼1為0，操作碼附加信息也為0。ARM存儲(chǔ)器管理單元15指令語(yǔ)法

MRC{cond}p15,<op1>,<Rd>,<CRn>,<CRm>{,<op2>}MRC2p15,<op1>,<Rd>,<CRn>,<CRm>{,<op2>}

OP1為協(xié)處理器將執(zhí)行的操作的代碼。對(duì)于CP15來(lái)說(shuō)，該值必須為0；Rd為目標(biāo)寄存器，指令處理的結(jié)果將存放在該寄存器中；CRn是協(xié)處理器寄存器，存放第一個(gè)源操作數(shù)；CRm是附加的源操作數(shù)寄存器，用于區(qū)分同一編號(hào)的不同物理寄存器，當(dāng)指令中不需要附加信息時(shí)要將C0指定為CRm；OP2也提供附加信息，用于區(qū)分同一編號(hào)的不同物理寄存器，當(dāng)指令中不需要附加信息時(shí)，可以省略或者將其置0。ARM存儲(chǔ)器管理單元16存儲(chǔ)管理單元MMU的作用實(shí)現(xiàn)虛擬地址空間到物理存儲(chǔ)空間的映射；存儲(chǔ)器訪問(wèn)權(quán)限的控制；設(shè)置虛擬存儲(chǔ)空間的緩沖特性。

頁(yè)表是實(shí)現(xiàn)上述功能的一個(gè)重要手段，它實(shí)際上是位于內(nèi)存中的一個(gè)對(duì)照表。ARM存儲(chǔ)器管理單元17存儲(chǔ)器單元的段頁(yè)式管理為了實(shí)現(xiàn)不同層次的管理，系統(tǒng)提供了基于段或頁(yè)的存儲(chǔ)器訪問(wèn)方式段（section）：由1MB的存儲(chǔ)器塊構(gòu)成

大頁(yè)（largepage）：由64KB的存儲(chǔ)器塊構(gòu)成

小頁(yè)（smallpage）：由4KB的存儲(chǔ)器塊構(gòu)成

微頁(yè)（tinypage）：由1KB的存儲(chǔ)器塊構(gòu)成ARM存儲(chǔ)器管理單元18用于存儲(chǔ)管理的頁(yè)表地址變換條目：頁(yè)表的每一行對(duì)應(yīng)與虛擬地址空間的一個(gè)頁(yè)，該行同時(shí)保含了該虛擬內(nèi)存頁(yè)對(duì)應(yīng)的物理內(nèi)存頁(yè)的地址、該頁(yè)的訪問(wèn)權(quán)限以及緩沖特性等。我們將頁(yè)表中的一行稱(chēng)為地址變換條目。頁(yè)表存放在內(nèi)存中，系統(tǒng)通常有一個(gè)寄存器來(lái)保存頁(yè)表的基地址。ARM系統(tǒng)中使用的就是CP15的寄存器C2?？毂恚簭奶摂M地址到物理地址的轉(zhuǎn)換實(shí)際上就是查詢(xún)頁(yè)表的過(guò)程。由于程序在執(zhí)行過(guò)程中具有局部性，即在一段時(shí)間內(nèi)只是局限在少數(shù)幾個(gè)單元，為了加快頁(yè)表的查詢(xún)速度，在系統(tǒng)中通常使用一個(gè)容量更小、速度更快的存儲(chǔ)器件來(lái)保存當(dāng)前需要訪問(wèn)的地址變換條目，這個(gè)容量小的頁(yè)表又稱(chēng)作快表（TLB）。ARM存儲(chǔ)器管理單元19快表的使用更新：當(dāng)CPU需要訪問(wèn)內(nèi)存時(shí)，首先在TLB中查找需要的地址變換條目。若不存在則在內(nèi)存頁(yè)表中查詢(xún)，并把查詢(xún)的結(jié)果添加到TLB中。清除：當(dāng)內(nèi)存中頁(yè)表的內(nèi)容改變或者使用新的頁(yè)表時(shí)，TLB中的內(nèi)容需要清空。CP15的寄存器8用于完成該功能。鎖定：可以將一個(gè)地址變換條目鎖定在TLB中，以加快訪問(wèn)速度，CP15的寄存器10用于完成該功能。ARM存儲(chǔ)器管理單元20域（domain）管理域是段、大頁(yè)和小頁(yè)的集合。ARM結(jié)構(gòu)支持16個(gè)域。對(duì)域的訪問(wèn)由域訪問(wèn)控制寄存器（CP15的寄存器3）的兩個(gè)位字段控制。因?yàn)槊總€(gè)字段對(duì)訪問(wèn)對(duì)應(yīng)的域的使能非常迅速，所以整個(gè)存儲(chǔ)器區(qū)間能很快地交換進(jìn)出虛擬存儲(chǔ)器。這里支持2種域訪問(wèn)方式客戶：域的用戶（執(zhí)行程序，訪問(wèn)數(shù)據(jù)），被形成這個(gè)域的節(jié)或頁(yè)來(lái)監(jiān)督訪問(wèn)權(quán)限。管理者：控制域的行為（域中的當(dāng)前段和頁(yè)，對(duì)域的訪問(wèn)），不被形成這個(gè)域的段或頁(yè)來(lái)監(jiān)督訪問(wèn)權(quán)限。一個(gè)程序可以是一些域的客戶，也是另外一些域的管理者，同時(shí)沒(méi)有對(duì)其它域的訪問(wèn)權(quán)限。這允許對(duì)程序訪問(wèn)不同存儲(chǔ)器資源的非常靈活的存儲(chǔ)器保護(hù)。ARM存儲(chǔ)器管理單元21內(nèi)存訪問(wèn)失效管理當(dāng)存儲(chǔ)器訪問(wèn)失敗時(shí)，MMU單元提供了相應(yīng)的機(jī)制用于處理這種情況。CP15的寄存器5和寄存器6用于完成該功能。ARM存儲(chǔ)器管理單元22寄存器1的MMU控制位M(bit[0])使能MMU0=禁止MMU1=允許MMU在沒(méi)有MMU和保護(hù)單元的系統(tǒng)上，這個(gè)位應(yīng)該讀出為0，并忽略寫(xiě)。A(bit[1])使能對(duì)齊錯(cuò)檢查0=禁止1=允許..RRVIZFRSBLDPWCAM..14131211109876543210ARM存儲(chǔ)器管理單元23禁止和使能MMU下面指令使能MMU MRC P15,0,R0,C1,0,0 OR R0,#1 MCR P15,0,R0,C1,0,0下面指令禁止MMU MRC P15,0,R0,C1,0,0 BIC R0,#1 MCR P15,0,R0,C1,0,0ARM存儲(chǔ)器管理單元24地址變換過(guò)程虛擬存儲(chǔ)空間到物理存儲(chǔ)空間的映射是以?xún)?nèi)存塊為單位進(jìn)行的。在MMU中采用兩級(jí)頁(yè)表實(shí)現(xiàn)上述地址映射：一級(jí)頁(yè)表中包含有以段為單位的地址變換條目以及指向二級(jí)頁(yè)表的指針。一級(jí)頁(yè)表實(shí)現(xiàn)的地址映射粒度較大；二級(jí)頁(yè)表中包含以大頁(yè)和小頁(yè)為單位的地址變換條目。其中一種類(lèi)型的二級(jí)表還包含有極小頁(yè)為單位的地址變換條目。ARM存儲(chǔ)器管理單元25基于一級(jí)頁(yè)表的地址變換ARM存儲(chǔ)器管理單元26一級(jí)頁(yè)表描述符可能的格式ARM存儲(chǔ)器管理單元如果bits[1:0]=0b10時(shí)，該頁(yè)表項(xiàng)為段描述符（Section

Descriptor），段描述符定義了對(duì)應(yīng)的1MB的虛擬存儲(chǔ)空間的地址映射關(guān)系。

如果bits[1:0]=0b01時(shí)，該頁(yè)表項(xiàng)包含了粗二級(jí)頁(yè)表的物理地址。該粗二級(jí)頁(yè)表定義了對(duì)應(yīng)的1MB虛擬存儲(chǔ)空間的地址映射關(guān)系。它可以實(shí)現(xiàn)以大頁(yè)和小頁(yè)為單位的地址映射。

如果bits[1:0]=0b11時(shí)，該頁(yè)表項(xiàng)包含了細(xì)二級(jí)頁(yè)表的物理地址。該細(xì)二級(jí)頁(yè)表定義了對(duì)應(yīng)的1MB虛擬存儲(chǔ)空間的地址映射關(guān)系。它可以實(shí)現(xiàn)以大頁(yè)、小頁(yè)和極小頁(yè)為單位的地址映射。

如果bits[1:0]=0b00時(shí)，說(shuō)明此頁(yè)表項(xiàng)是一個(gè)錯(cuò)誤頁(yè)表項(xiàng)。它將產(chǎn)生一個(gè)存儲(chǔ)頁(yè)錯(cuò)誤。錯(cuò)誤條件會(huì)導(dǎo)致預(yù)取指令中止或數(shù)據(jù)中止，這取決于具體的存儲(chǔ)器訪問(wèn)類(lèi)型。27基于段地址的映射示意圖ARM存儲(chǔ)器管理單元28處理器主頻較高，通常為幾十兆甚至幾百兆，而一般存儲(chǔ)器（DRAM）的存儲(chǔ)周期為100～200ns。存儲(chǔ)器的速度嚴(yán)重制約著系統(tǒng)的性能。高速緩沖存儲(chǔ)器（cache）是一個(gè)硬件部件，對(duì)我們來(lái)說(shuō)是透明的。Cache與主存儲(chǔ)器間以塊（cacheline）為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。Cache的存取速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于主存儲(chǔ)器的速度，存儲(chǔ)器訪問(wèn)的時(shí)間局部性決定了采用Cache后，系統(tǒng)的整體性能可以得到大大提高。高速緩沖區(qū)和寫(xiě)緩沖區(qū)29Cache的工作原理高速緩沖區(qū)和寫(xiě)緩沖區(qū)30Cache的工作原理在Cache存儲(chǔ)系統(tǒng)中，把Cache和主存劃分為相同大小的塊。主存地址可以使用塊號(hào)(B)和塊內(nèi)地址(W)兩部分組成。同樣Cache的地址也可以使用塊號(hào)(B)和塊內(nèi)地址(W)兩部分組成。命中率：當(dāng)CPU訪問(wèn)存儲(chǔ)器時(shí)，通過(guò)存儲(chǔ)器地址變換部件把地址變換成cache的塊號(hào)和塊內(nèi)地址，如果變換成功（稱(chēng)為cache命中），就用得到的cache地址訪問(wèn)cache，從cache中取數(shù)；如果變換失敗，則產(chǎn)生cache失效信息，并用主存儲(chǔ)器的地址訪問(wèn)主存儲(chǔ)器，同時(shí)將包含被訪問(wèn)字在內(nèi)的一整塊都從主存儲(chǔ)器讀出來(lái)，裝入到cache中，但如果這時(shí)cache已滿，需要采用適當(dāng)?shù)奶鎿Q算法來(lái)更新cache。高速緩沖區(qū)和寫(xiě)緩沖區(qū)31Cache的地址映象和變換方法地址映象指把主存地址空間映象到cache地址空間，具體說(shuō)就是把存放在主存中的程序按照某種規(guī)則裝入到cache中，并建立主存地址到cache地址之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。地址變換是指當(dāng)程序已經(jīng)裝入到cache中后（形成地址映象），在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，把主存地址如何變換成cache地址。地址映象和變換是密切相關(guān)的，算法需要統(tǒng)一。但所有方法都將主存和cache劃分為同樣大小的存儲(chǔ)單元（稱(chēng)為塊），在進(jìn)行變換時(shí)都是以塊為單位。地址映象和變換方法包括：全相聯(lián)映象、直接映象、組相聯(lián)映象三種方法。高速緩沖區(qū)和寫(xiě)緩沖區(qū)32地址映象和變換方法－全相聯(lián)映象方式主存中任意一塊可以映射到cache中的任意一塊的位置上。如果cache的塊容量為C，主存的塊容量為M，則兩則之間的映象關(guān)系有C*M中，如果采用目錄表來(lái)存放這些映象關(guān)系，目錄表的容量為C。高速緩沖區(qū)和寫(xiě)緩沖區(qū)缺點(diǎn)：電路設(shè)計(jì)難以實(shí)現(xiàn)33地址映象和變換方法－直接映象方式這是最簡(jiǎn)單也是最直接的方法。主存中一塊只能映象到cache中的一個(gè)特定的塊中。假設(shè)主存的塊號(hào)為B，cache的塊號(hào)為b，則他們之間的映象關(guān)系可以使用下面的公式表示：

b＝BmodeCb

其中Cb為cache的塊容量高速緩沖區(qū)和寫(xiě)緩沖區(qū)34地址映象和變換方法－組相聯(lián)映象方式在這種方式下，把主存和cache按照同樣大小劃分成組，每個(gè)組都由相同的塊數(shù)組成。這樣，主存的組數(shù)要比cache的組數(shù)多；主存的組與cache的組之間采用直接映象的方式；在兩個(gè)對(duì)應(yīng)的組之間采用全相聯(lián)映象方式。高速緩沖區(qū)和寫(xiě)緩沖區(qū)35Cache的分類(lèi)統(tǒng)一/獨(dú)立的數(shù)據(jù)和指令cache

適應(yīng)獨(dú)立的數(shù)據(jù)和指令cache，可以在同一個(gè)時(shí)鐘周期中讀取指令和數(shù)據(jù)，而不需要雙端口的cache。但這時(shí)需要保證指令和數(shù)據(jù)的一致性。寫(xiě)回和寫(xiě)通cache

寫(xiě)回cache指執(zhí)行寫(xiě)操作時(shí)，被寫(xiě)的數(shù)據(jù)只寫(xiě)入cache，僅當(dāng)cache需要被替換時(shí)才將數(shù)據(jù)寫(xiě)入到實(shí)際的存儲(chǔ)器中； 寫(xiě)通則是在指執(zhí)行寫(xiě)操作時(shí)，同時(shí)向cache和存儲(chǔ)器執(zhí)行寫(xiě)操作，從而保證數(shù)據(jù)的一致性。高速緩沖區(qū)和寫(xiě)緩沖區(qū)36Cache替換算法隨機(jī)替換算法和輪轉(zhuǎn)法隨機(jī)替換算法通過(guò)一個(gè)隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，用新塊將編號(hào)為該隨機(jī)數(shù)的塊進(jìn)行替換。輪轉(zhuǎn)法維護(hù)一個(gè)邏輯的計(jì)數(shù)器，利用該計(jì)數(shù)器依次選擇將要被替換出去的cache塊。高速緩沖區(qū)和寫(xiě)緩沖區(qū)37Cache的編程接口與cache和寫(xiě)緩沖區(qū)相關(guān)的寄存器包括CP15中的寄存器C7、寄存器C9以及寄存器C1中的某些位。MCRP15,0,<Rd>,<C1>,<CRm>,<Op2>MCRP15,0,<Rd>,<C7>,<CRm>,<Op2>MCRP15,0,<Rd>,<C9>,c0,<Op2>MRCP15,0,<Rd>,<C1>,<CRm>,<Op2>MRCP15,0,<Rd>,<C7>,<CRm>,<Op2>MRCP15,0,<Rd>,<C9>,c0,<Op2>高速緩沖區(qū)和寫(xiě)緩沖區(qū)38快速上下文切換技術(shù)通過(guò)修改系統(tǒng)中不同進(jìn)程的虛擬地址，避免在進(jìn)行進(jìn)程間切換時(shí)造成的虛擬地址到物理地址的重映射，從而提高系統(tǒng)的性能?？焖偕舷挛那袚Q技術(shù)39快速上下文切換技術(shù)原理（FCSE）如果兩個(gè)進(jìn)程占用的虛擬地址空間有重疊，系統(tǒng)在這兩個(gè)進(jìn)程之間進(jìn)行切換時(shí)，必須進(jìn)行虛擬地址到物理地址的重映射，包括重建TLB，清除cache，整個(gè)工作需要帶來(lái)巨大的系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)。而快速上下文切換技術(shù)的引入避免了這種開(kāi)銷(xiāo)。FCSE位于CPU和MMU之間，他的責(zé)任就是將不同進(jìn)程使用的相同的虛擬地址映射為不同的虛擬空間，使得在上下文切換時(shí)無(wú)需重建TLB等。 如果兩個(gè)進(jìn)程使用了同樣的虛擬地址空間，則對(duì)CPU而言，兩個(gè)進(jìn)程使用了同樣的虛擬地址空間，F(xiàn)CSE機(jī)構(gòu)對(duì)各個(gè)進(jìn)程的虛擬地址進(jìn)行變換，這樣系統(tǒng)中除了CPU之外的部分看到的是經(jīng)過(guò)上下文切換機(jī)構(gòu)變換后的虛擬地址?？焖偕舷挛那袚Q技術(shù)40在ARM系統(tǒng)中，4G的虛擬地址空間被分成128個(gè)進(jìn)程空間塊，每個(gè)空間塊中可以包含一個(gè)進(jìn)程，該進(jìn)程可以使用的虛擬地址空間為0～0x01ff’ffff。編號(hào)為I的進(jìn)程空間塊中的進(jìn)程實(shí)際使用的虛擬地址空間為： （I*0x0200’0000）～（I*0x0200’0000+0x01ffffff）快速上下文切換技術(shù)原理（FCSE）快速上下文切換技術(shù)助記符說(shuō)明操作條件碼位置STRRd,addressing存儲(chǔ)字?jǐn)?shù)據(jù)[addressing]←Rd，addressing索引STR{cond}STRBRd,addressing存儲(chǔ)字節(jié)數(shù)據(jù)[addressing]←Rd，addressing索引STR{cond}BSTRTRd,addressing以用戶模式存儲(chǔ)字?jǐn)?shù)據(jù)[addressing]←Rd，

addressing索引STR{cond}TSTRBTRd,addressing以用戶模式存儲(chǔ)字節(jié)數(shù)據(jù)[addressing]←Rd，addressing索引STR{cond}BTSTRHRd,addressing存儲(chǔ)半字?jǐn)?shù)據(jù)[addressing]←Rd，addressing索引STR{cond}HARM存儲(chǔ)器訪問(wèn)指令——單寄存器存儲(chǔ)LDR/STR指令用于對(duì)內(nèi)存變量的訪問(wèn)、內(nèi)存緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)、查表、外圍部件的控制操作等。若使用LDR指令加載數(shù)據(jù)到PC寄存器，則實(shí)現(xiàn)程序跳轉(zhuǎn)功能，這樣也就實(shí)現(xiàn)了程序散轉(zhuǎn)。所有單寄存器加載/存儲(chǔ)指令可分為“字和無(wú)符號(hào)字節(jié)加載存儲(chǔ)指令”和“半字和有符號(hào)字節(jié)加載存儲(chǔ)指令。LDR和STR——字和無(wú)符號(hào)字節(jié)加載/存儲(chǔ)指令

LDR指令用于從內(nèi)存中讀取單一字或字節(jié)數(shù)據(jù)存入寄存器中，STR指令用于將寄存器中的單一字或字節(jié)數(shù)據(jù)保存到內(nèi)存。指令格式如下：ARM存儲(chǔ)器訪問(wèn)指令——單寄存器存儲(chǔ)LDR{cond}{T} Rd,<地址>;將指定地址上的字?jǐn)?shù)據(jù)讀入RdSTR{cond}{T} Rd,<地址>;將Rd中的字?jǐn)?shù)據(jù)存入指定地址

LDR{cond}B{T} Rd,<地址>;將指定地址上的字節(jié)數(shù)據(jù)讀入RdSTR{cond}B{T} Rd,<地址>;將Rd中的字節(jié)數(shù)據(jù)存入指定地址

其中，T為可選后綴。若指令有T，那么即使處理器是在特權(quán)模式下，存儲(chǔ)系統(tǒng)也將訪問(wèn)看成是在用戶模式下進(jìn)行的。T在用戶模式下無(wú)效，不能與前索引偏移一起使用T。ARM存儲(chǔ)器訪問(wèn)指令——單寄存器存儲(chǔ)LDR和STR——字和無(wú)符號(hào)字節(jié)加載/存儲(chǔ)指令編碼指令執(zhí)行的條件碼I為0時(shí)，偏移量為12位立即數(shù)，為1時(shí)，偏移量為寄存器移位P表示前/后變址U表示加/減B為1表示字節(jié)訪問(wèn)，為0表示字訪問(wèn)W表示回寫(xiě)為指令的尋址方式Rd為源/目標(biāo)寄存器Rn為基址寄存器L用于區(qū)別加載（L為1）或存儲(chǔ)（L為0）ARM存儲(chǔ)器訪問(wèn)指令——單寄存器存儲(chǔ)LDR和STR——字和無(wú)符號(hào)字節(jié)加載/存儲(chǔ)指令

LDR/STR指令尋址非常靈活，它由兩部分組成，其中一部分為一個(gè)基址寄存器，可以為任一個(gè)通用寄存器；另一部分為一個(gè)地址偏移量。地址偏移量有以下3種格式：立即數(shù)。立即數(shù)可以是一個(gè)無(wú)符號(hào)的數(shù)值。這個(gè)數(shù)據(jù)可以加到基址寄存器，也可以從基址寄存器中減去這個(gè)數(shù)值。如：LDRR1,[R0,#0x12]

；R1<-[R0+0x12]寄存器。寄存器中的數(shù)值可以加到基址寄存器，也可以從基址寄存器中減去這個(gè)數(shù)值。如：LDRR1,[R0,R2]

;

R1<-[R0+R2]

LDRR1,[R0,-R2];R1<-[R0-R2]寄存器及移位常數(shù)。寄存器移位后的值可以加到基址寄存器，也可以從基址寄存器中減去這個(gè)數(shù)值。如：LDRR1,[R0,R2,LSL#2]

;R1<-[R0+R2*4]

ARM存儲(chǔ)器訪問(wèn)指令——單寄存器存儲(chǔ)

從尋址方式的地址計(jì)算方法分，加載/存儲(chǔ)指令有以下4種格式：零偏移。 如：LDRRd,[Rn]

前索引偏移。 如：LDRRd,[Rn,#0x04]!程序相對(duì)偏移。 如：LDRRd,labe1

后索引偏移。 如：LDRRd,[Rn],#-0x04注意：必須保證字?jǐn)?shù)據(jù)操作的地址是32位對(duì)齊的。LDR和STR——字和無(wú)符號(hào)字節(jié)加載/存儲(chǔ)指令LDR和STR——半字和有符號(hào)字節(jié)加載/存儲(chǔ)指令

這類(lèi)LDR/STR指令可加載有符號(hào)半字或字節(jié)，可加載/存儲(chǔ)無(wú)符號(hào)半字。偏移量格式、尋址方式與加載/存儲(chǔ)字和無(wú)符號(hào)字節(jié)指令相同。ARM存儲(chǔ)器訪問(wèn)指令——單寄存器存儲(chǔ)LDR{cond}SBRd,<地址>;將指定地址上的有符號(hào)字節(jié)讀入RdLDR{cond}SHRd,<地址>;將指定地址上的有符號(hào)半字讀入RdLDR{cond}HRd,<地址>;將指定地址上的半字?jǐn)?shù)據(jù)讀入RdSTR{cond}HRd,<地址>;將Rd中的半字?jǐn)?shù)據(jù)存入指定地址注意：1.有符號(hào)位半字/字節(jié)加載是指用符號(hào)位加載擴(kuò)展到32位，無(wú)符號(hào)半字加載是指用零擴(kuò)展到32位；2.半字讀寫(xiě)的指定地址必須為偶數(shù)，否則將產(chǎn)生不可靠的結(jié)果；ARM存儲(chǔ)器訪問(wèn)指令——單寄存器存儲(chǔ)LDR和STR——半字和有符號(hào)字節(jié)加載/存儲(chǔ)指令編碼指令執(zhí)行的條件碼I為0時(shí)，偏移量為12位立即數(shù)，為1時(shí)，偏移量為寄存器移位P表示前/后變址U表示加/減W表示回寫(xiě)為指令的尋址方式Rd為源/目標(biāo)寄存器Rn為基址寄存器L用于區(qū)別加載（L為1）或存儲(chǔ)（L為0）S為1表示有符號(hào)訪問(wèn)，為0表示無(wú)符號(hào)訪問(wèn)H為1表示半字訪問(wèn)，為0表示字節(jié)訪問(wèn)LDR和STR指令應(yīng)用示例：1.加載/存儲(chǔ)字和無(wú)符號(hào)字節(jié)指令LDR R2,[R5] ;將R5指向地址的字?jǐn)?shù)據(jù)存入R2STR R1,[R0,#0x04] ;將R1的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到R0+0x04地址LDRB R3,[R2],#-1 ;將R2指向地址的字節(jié)數(shù)據(jù)存入R3，R2＝R2－1STRB R0,[R3,-R8ASR＃2];R0->[R3-R8/4],存儲(chǔ)R0的最低有效字節(jié)2.加載/存儲(chǔ)半字和有符號(hào)字節(jié)指令LDRSBR1,[R0,R3] ;將R0+R3地址上的字節(jié)數(shù)據(jù)存入R1，

;高24位用符號(hào)擴(kuò)展LDRHR6,[R2],#2 ;將R2指向地址的半字?jǐn)?shù)據(jù)存入R6，高16位用0擴(kuò)展

;讀出后，R2=R2+2STRHR1,[R0,#2]! ;將R1的半字?jǐn)?shù)據(jù)保存到R0+2地址，

;只修改低2字節(jié)數(shù)據(jù)，然后R0=R0+2ARM存儲(chǔ)器訪問(wèn)指令——單寄存器存儲(chǔ)（3）LDR和STR雙字：加載/存儲(chǔ)兩個(gè)相鄰的寄存器，64位雙字。其句法有4種：Op{cond}DRd，[Rn]零偏移Op{cond}DRd，[Rn，offset]{!}前索引偏移Op{cond}DRd，label程序相對(duì)偏移Op{cond}D{T}Rd，[Rn]，offset后索引偏移

ARM存儲(chǔ)器訪問(wèn)指令——單寄存器存儲(chǔ)

其中：

Rd加載/存儲(chǔ)寄存器中的一個(gè)，另一個(gè)是R（d+1）。Rd必須是偶數(shù)寄存器，且不是R14。

Rn除非指令為零偏移，或不帶寫(xiě)回的前索引，否則，Rn不允許與Rd和R（d+1）相同。labellabel必須是在當(dāng)前指令的上下252字節(jié)范圍內(nèi)。例如：LDRDR6，[R11]；R6←[R11]，R7←[R11+4]STRDR4，[R9，#24]；R4→[R9+24]，R5→[R9+28]ARM存儲(chǔ)器訪問(wèn)指令——單寄存器存儲(chǔ)助記符說(shuō)明操作條件碼位置LDM{mode}Rn{!},reglist多寄存器加載reglist←[Rn...]，Rn回寫(xiě)等LDM{cond}{mode}STM{mode}Rn{!},reglist多寄存器存儲(chǔ)[Rn...]←reglist,Rn回寫(xiě)等STM{cond}{mode}ARM存儲(chǔ)器訪問(wèn)指令——多寄存器存取

多寄存器加載/存儲(chǔ)指令可以實(shí)現(xiàn)在一組寄存器和一塊連續(xù)的內(nèi)存單元之間傳輸數(shù)據(jù)。LDM為加載多個(gè)寄存器；STM為存儲(chǔ)多個(gè)寄存器。允許一條指令傳送16個(gè)寄存器的任何子集或所有寄存器。它們主要用于現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)、數(shù)據(jù)復(fù)制、常數(shù)傳遞等。ARM存儲(chǔ)器訪問(wèn)指令——多寄存器存取

多寄存器加載/存儲(chǔ)指令格式如下：LDM{cond}<模式>Rn{!},reglist{^}STM{cond}<模式>Rn{!},reglist{^}cond：指令執(zhí)行的條件；模式：控制地址的增長(zhǎng)方式，一共有8種模式；!：表示在操作結(jié)束后，將最后的地址寫(xiě)回Rn中；reglist

：表示寄存器列表，可以包含多個(gè)寄存器，它們使用“,”隔開(kāi)，如{R1,R2,R6-R9}，寄存器由小到大排列；^：可選后綴。允許在用戶模式或系統(tǒng)模式下使用。它有以下兩個(gè)功能：1）若op是LDM且寄存器列表包含R15時(shí)，那么除了正常的多寄存器傳送外，還將SPSR也復(fù)制到CPSR中。這用于異常處理返回，僅在異常模式下使用。2）數(shù)據(jù)傳入或傳出的是用戶模式下的寄存器，而不是當(dāng)前模式的寄存器。ARM存儲(chǔ)器訪問(wèn)指令——多寄存器存取LDM和STM——多寄存器加載/存儲(chǔ)指令編碼指令執(zhí)行的條件碼S對(duì)應(yīng)于指令中的”^”符號(hào)P表示前/后變址U表示加/減W表示回寫(xiě)寄存器列表Rn為基址寄存器L用于區(qū)別加載（L為1）或存儲(chǔ)（L為0）ARM存儲(chǔ)器訪問(wèn)指令——多寄存器存取

多寄存器加載/存儲(chǔ)指令的8種模式如下表所示，右邊四種為堆棧操作、左邊四種為數(shù)據(jù)傳送操作。模式說(shuō)明模式說(shuō)明IA每次傳送后地址加4FD滿遞減堆棧IB每次傳送前地址加4ED空遞減堆棧DA每次傳送后地址減4FA滿遞增堆棧DB每次傳送前地址減4EA空遞增堆棧數(shù)據(jù)塊傳送操作堆棧操作

進(jìn)行數(shù)據(jù)復(fù)制時(shí)，先設(shè)置好源數(shù)據(jù)指針和目標(biāo)指針，然后使用塊拷貝尋址指令LDMIA/STMIA、LDMIB/STMIB、LDMDA/STMDA、LDMDB/STMDB進(jìn)行讀取和存儲(chǔ)。進(jìn)行堆棧操作操作時(shí)，要先設(shè)置堆棧指針（SP），然后使用堆棧尋址指令STMFD/LDMFD、STMED/LDMED、STMFA/LDMFA和STMEA/LDMEA實(shí)現(xiàn)堆棧操作。ARM存儲(chǔ)器訪問(wèn)指令——多寄存器存取數(shù)據(jù)塊傳送指令操作過(guò)程如右圖所示，其中R1為指令執(zhí)行前的基址寄存器，R1’則為指令執(zhí)行后的基址寄存器。R5R6R7R1R1’指令STMIAR1!,{R5-R7}4008H4004H4000H4014H4010H400CHR5R6R7R1R1’指令STMDAR1!,{R5-R7}40