ARM體系結(jié)構(gòu)詳解精

ARM嵌入式系統(tǒng)

第2章ARM體系結(jié)構(gòu)ARM微處理器的編程模型?ARM徴處理器的工作狀態(tài)?ARM體系結(jié)構(gòu)的存儲器格式?ARM體系結(jié)構(gòu)的指令長度及數(shù)據(jù)寬度?ARM微處理器的處理器模式?ARM體系結(jié)構(gòu)的寄存器組織ARM微處理器的異常狀態(tài)字、半字、字節(jié)字（Word）在ARM體系結(jié)構(gòu)中，字的長度為32位半字（Half-Word）在ARM體系結(jié)構(gòu)中，半字的長度為16位字節(jié)（Byg）在ARM體系結(jié)構(gòu)中，字節(jié)的長度為8位。JARM微處理器的工作狀態(tài)（1）字對齊：四字節(jié)對齊半字對齊：兩字節(jié)對齊兩種狀態(tài)：ARM狀態(tài)：處理器執(zhí)行32位的字對齊的令Thumb狀態(tài)：處理器執(zhí)行16位的、半字對齊的Thumb指令處理器工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)變并不影響處理器的工作模式和相應(yīng)寄存器中的內(nèi)容。IARM微處理器的工作狀態(tài)(2)狀態(tài)切換：BX{<cond>}<Rm><cond>指令的條件碼。忽略時(shí)無條件執(zhí)行。vRm>子存器中為跳轉(zhuǎn)的目標(biāo)地址，當(dāng)<Rm><存器的bit[O]為0時(shí),目標(biāo)地址處的指令為ARM指令當(dāng)<RmM存器的bit[O]為1時(shí)啟標(biāo)地址處的指令為Thumb指令。偽代碼：ifConditionPassed(cond)thenTFlag=Rm[O]PC=RmANDOxFFFFFFFEARM微處理器在復(fù)位或上電時(shí)處于ARM狀態(tài)，發(fā)生異常時(shí)處于ARM狀態(tài)。右ARM體系結(jié)構(gòu)的存儲器格式(1)ARM體系結(jié)構(gòu)所支持的最大尋址空間為4GB(2人字節(jié))?大端格式(BigEndian)字?jǐn)?shù)據(jù)的高字節(jié)存儲在低地址中，而字?jǐn)?shù)據(jù)的低字節(jié)則存放在高地址中。?小端格式(LittleEndian)低地址中存放的是字?jǐn)?shù)據(jù)的低字節(jié)，高地址存放的是字?jǐn)?shù)據(jù)的高字節(jié)。右ARM體系結(jié)構(gòu)的存儲字地址器格式(2)(0H)=0123H(4H)=4567H(8H)=89ABHBigEndian字地址89AB45670123(0H)=3210H(4H)=7654H(8H)=BA98HLittleEndian右ARM體系結(jié)構(gòu)的存儲器格式(3)R2=LittleendianBigAendianR2=LittleendianBigAendianrO=0x11223344I11I2233:44I右ARM體系結(jié)構(gòu)的指令長度及數(shù)據(jù)寬度?指令長度：32位（在ARM狀態(tài)下）16位（在Thumb狀態(tài)卞）?數(shù)據(jù)寬度：字節(jié)（8位）半字（16位）字（32位）三種數(shù)據(jù)寬度對存儲器及外部設(shè)備的訪問。要中，字?jǐn)?shù)據(jù)需要按址的最對齊為熬的低兩位為0）、半字?jǐn)?shù)據(jù)需ARM微處理器的處理器模式（1）7種處理器模式:異?用戶模式（usr）:用戶應(yīng)用程序?系統(tǒng)模式（sys）:特權(quán)模式?快速中斷模式（fiq）:用于快速數(shù)據(jù)傳輸通用的中斷處理?終止模式（abt）:通用的中斷處理?終止模式（abt）:數(shù)據(jù)訪問中止或指令預(yù)取中止?中斯■模式（irq）:?管理模式（svc）:操作系統(tǒng)使用的保護(hù)模式?未定義指令模式（und）:未定義的指令執(zhí)行時(shí)管理模式（SVC）是系統(tǒng)復(fù)位后的默認(rèn)模式特權(quán)模式（PrivilegedModes）異常模式（ExceptionModes）右ARM微處理器的處理器模式(2)ARM微處理器的運(yùn)行模式可以通過軟件改變(特權(quán)模式)，也可以通過外部中斷或異常處理改變。大多數(shù)的應(yīng)用程序運(yùn)行在用戶模式下，當(dāng)處理器運(yùn)行在用戶模式下時(shí)，某些被保護(hù)的系統(tǒng)資源是不能被訪問的。也不能改變模式。除非異常發(fā)生。特權(quán)模式可以自由地訪問系統(tǒng)資源和改變模式。右ARM體系結(jié)構(gòu)的寄存器組織(1)37個(gè)32位的子存器：?31個(gè)通用寄存器來分組爭存器(UnbankedRegister):R0~R7分組子存器(BankedRegister):R8?R14程序計(jì)數(shù)爲(wèi)R15(PCA8針)6個(gè)狀態(tài)寄存耳，用以標(biāo)識CPU的工作狀態(tài)及租序的運(yùn)行狀態(tài)，目前只使用了其中的一癢分?在每一種處理器模式下均有一俎相應(yīng)的寄存器與之對應(yīng)。在所有的奇存器中，有些是在7種處理器模式下共用的同一個(gè)物理子存器，而有些寄存器則是在不同的處理器模式下有不同的物理芳存器

AKnojEMBAI%I▼fitR2W呑4R5R6R7tq-狀態(tài)薪的寄存i1骼且織(2AKnojEMBAI%I▼fitR2W呑4R5R6R7tq-狀態(tài)薪的寄存i1骼且織(2R1

k2R3貝0R1R2R3"rinqRr"tlqROR1血R3A4RSnoR7RSMR1ORIIR1JKRH*nflq<KWnqRHwqR15IPC1分血4BRIG(nct*SPCCPSRCPSRCPSRCPSRCPSRK3PAR-qkjjPSRtvc⑸aPSF冊右ARM狀態(tài)下的寄存器組織(3)未分組寄存器(UnbmnkedRegister)RO?R7同一個(gè)寄存器名，在

ARM微處理器內(nèi)部只有一個(gè)獨(dú)立的物理寄存器與之對應(yīng)。在所有的運(yùn)行模式下，未分組寄存器都指向同一個(gè)物理寄存器，他們未被系統(tǒng)用作特殊的用途。在中斷或異常處理進(jìn)行運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換時(shí)，由于不同的處理器運(yùn)行模式均使用相同的物理寄存器，可能會造成疥存器中數(shù)據(jù)的破壞，這一點(diǎn)在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)引起注意。UserMUserMhodtnaddrmcukuhtcd?ndstoredImLK占ARM狀態(tài)下的寄存器組織(4)?分俎寺存器(BankedRegister)R8~R14同一個(gè)寄存器名在ARM微處理肴內(nèi)部存在多個(gè)獨(dú)互的物理寄存器對于分組寺存器，他們每一次所訪問的物理寄存器與處理器當(dāng)前的運(yùn)行模式有關(guān)。R8?R12:對應(yīng)兩個(gè)不同的物理子存器fiq模式：R8_fiq?R12_￡iq非模式：R8usr?R12usrR13.R14:對應(yīng)6個(gè)不同的物理寄存鳥用戶模式與系統(tǒng)模式共用一個(gè)另外5個(gè)物理辛存器對應(yīng)于其他5種不同的運(yùn)行模式Rn_<mode>mode:usrAfiqAirqAsvcAabt?und占ARM狀態(tài)下的寄存器組織(5)?寄存器R13寄存器R13在ARM指令中常用作堆桟指針。在用戶應(yīng)用程序的初始化部分，一般都要初始化每種模式下的R13(R13_svc、R13_irq、R13_fiqxR13_abt和R13_und)，—使其指向反運(yùn)行模式忌空間。一當(dāng)程序的運(yùn)行進(jìn)入異常模式時(shí)何以將需要保護(hù)的寄存器放入R13所指向的堆棧，而當(dāng)程序從異常模式返回時(shí)，則從對應(yīng)的堆棧中恢復(fù)，采用這種方式可以保證異常發(fā)生后程序的正常執(zhí)行。占ARM狀態(tài)下的寄存器組織(6)寄存器R14子程序連接寄存器(SxibroutineLinkRegister)或鏈接奇存器LR。子程序調(diào)用：當(dāng)執(zhí)行BL(BLX)子程序調(diào)用指令時(shí)，R14中得到R15(程序計(jì)數(shù)器PC)的備份。中斷或異常：對應(yīng)的分組奇存器R14_svu、R14_irq>R14_fiq.R14_abt和R14_und甬來保存R1詡返回值。一^Example:CallSubroutine

右Example:UsertoFIQmode21HvtumiMidrvuokvhlrdfnunIwrrrnnkP4tuhi<dmKlNrniinUQrr*iMkIR*crnwwk(TSRcnpicdioHQmodeSl*SRRcfHrpknw*rHrxMrr^mitMhIMiKic21HvtumiMidrvuokvhlrdfnunIwrrrnnkP4tuhi<dmKlNrniinUQrr*iMkIR*crnwwk(TSRcnpicdioHQmodeSl*SRRcfHrpknw*rHrxMrr^mitMhIMiKicFIQModeEXCEPTION占ARM狀態(tài)下的寄存器組織(7)寄存SRI5程序計(jì)數(shù)耳PC。寄存器R15用作程序計(jì)數(shù)器(PC)o在ARM狀態(tài)下，位［1:0］為0，位［31:2］用于保存PC;在Thumb狀態(tài)下，位［0］為0,位［31:1］用于保存PC。由于ARM體系結(jié)構(gòu)采用了多級流水錢技術(shù)，對于ARM指令集而言，PC總是描向當(dāng)前拒令的下兩條指令的地址，即PC的值為當(dāng)前柑令的地址值加8個(gè)字節(jié)。ARM狀態(tài)I下的寄存器組織(8)取指從存儲器取指譯碼指令譯碼從寄存券組中讀寄存器，移位和ALU

操作.將寄存器寫回到育存器組指令流水線功能段劃分指令取指譯碼執(zhí)行取指譯碼執(zhí)行取指譯碼執(zhí)行ARM#周期指令3圾流水線操作右ARM狀態(tài)下的寄存器組織(9)當(dāng)俞程序狀態(tài)奇存器CPSRCPSR(CurrentProgramStatusRegister)CPSR可在任何運(yùn)行模式下被訪問，它包括條件標(biāo)志位、中斷禁止位、當(dāng)前處理器模式標(biāo)志位，以及其他一些相關(guān)的控制和狀態(tài)位。備份的程序狀態(tài)寄存器SPSR(SavedProgramStatusRegister),當(dāng)異常發(fā)生時(shí)，SPSR用于保存CPSR的當(dāng)前值，從并常退出時(shí)則可由SPSR來恢復(fù)CPSRo用戶模式和系統(tǒng)模式不屬于異常模式，他們沒有SPS&當(dāng)在這兩種模式下訪問SPSR,結(jié)果是未知的。ARM狀態(tài)下的等存器組織(10)M4!MJMiMl紬0CPSRM4!MJMiMl紬0CPSR(11)ARM狀態(tài)下的寄存器組織(11)碼標(biāo)志(ConditionCodeFlags)N、乙C.V:條件碼標(biāo)志位?？杀凰阈g(shù)或邏輯運(yùn)算的結(jié)果所改變，并且可以決定某條指令是否被執(zhí)行。在ARM狀態(tài)下，絕大多數(shù)的指令都是有條件執(zhí)行的在Thumb狀態(tài)下，僅有分支指令是有條件執(zhí)行的。右ARM狀態(tài)下的寄存器組織（12）標(biāo)志位含義NN=1表示運(yùn)算的結(jié)果為負(fù)數(shù)；N=0表示運(yùn)算的煒果為正牧戒.牢?ZZ?1表示達(dá)算的結(jié)果為窣；z=o衣示達(dá)算的站果為非家。C加法遠(yuǎn)算（包括比校指今CMN）:當(dāng)達(dá)算結(jié)果產(chǎn)生了進(jìn)位時(shí)（無符號斂溢岀）＞O1.否期00?減法運(yùn)算（包括比校拾令CMP）:當(dāng)運(yùn)算時(shí)產(chǎn)生了借位（無符號敦溢出）,C-0,否則O1.對于包含移位操作的非加/減運(yùn)算抬今，C為移出值的就丘一位。對于其他的非加/域運(yùn)算指今.C的債通僧不改變?V對于加/減法運(yùn)以掘令，當(dāng)揉作敘和運(yùn)y九果為—進(jìn)制的補(bǔ)碼展示的帶符號救時(shí)■V“衣示幷號位溢出。對于其他的非加/減適算指令，C的值通會不改變.Q在ARMv5及以上飯農(nóng)的E系列處理器屮?用Q標(biāo)志位指示增農(nóng)的DSP運(yùn)用指令是杏發(fā)生了溢出。雇其他版本的處理器中，Q標(biāo)志位無定義?右ARM狀態(tài)下的寄存器組織（13）控制位CPSR的低8位（包括工、F、T和M[4:0]）稱為控制位，當(dāng)發(fā)生異常時(shí)這些位可以被改變。如果處理器處于特權(quán)模式，這些位也可以由程序修改。中斷禁止伎工、F：1=1禁止IRQ中斷F=1禁jEFIQ中斷T標(biāo)志位：T=1Thumb狀態(tài)T=0ARM狀態(tài)右ARM狀態(tài)下的寄存器組織（14）M[4:0]運(yùn)行模式位：這些位決定了處理器的運(yùn)行模式。M[4:0)處理器樓式呼訪何旳奇存爲(wèi)OblOOOO用戶埃式PC.CPSR.R0-R14OblOOOlFTQ模貞.PC.CPSR,SPSR_fiq.R14_fiq-R8_fiqrR7?ROOblOOlOIRQ模KPC,CPSR,SPSRirq.R14_irqrR.3_irqFB12-ROObiOOllPC,CPSR.SPSRSVC.R14SVC.R13SVC,R12-R0f''rfOblOlll+?-\PC,CPSR,SPSR'bt.R14AabtrR13_abtrR12-R0,OblLOllPC,CPSR.SPSR_und.R14_undrR13_undrR12~R0.OblLlllPC.CPSR,R14?RO右ARM狀態(tài)下的寄存器組織(15)隸留位CPSR中的其余位為保留位，當(dāng)改變CPSR中的條件碼標(biāo)志位或者控制位時(shí)，保留位不要被改變，在程序中也不要使用保留位來存儲數(shù)據(jù)。保留位將用于ARM版本的擴(kuò)展。ARM彳放處理器的異常狀態(tài)（1）H-H帶（Exception）當(dāng)正常的程序執(zhí)行流程發(fā)生改變時(shí)，稱之為異常。處理器的異常狀態(tài)（2）ARM異常類型運(yùn)行模式ARM異常類型運(yùn)行模式復(fù)位SVC未定義指令und軟件中斷SVC指令預(yù)取中止abt數(shù)據(jù)中止abtIRQ（外部中斷請求）irqFIQ（快速中斷請求）fiq具體含又ii位為處理器的取代由34效時(shí)?產(chǎn)生段代總索?權(quán)序從嶺劉復(fù)倪并當(dāng)處理程序處執(zhí)行.來丈義檔令為ARM處理爲(wèi)戲協(xié)處理爲(wèi)遇卅不能處段的描令時(shí)，戶土來定義打令片倉.T茯円該嚴(yán)常機(jī)制址行秋件仿A。軟件中斷誡并常曲執(zhí)行SWI檔今產(chǎn)土?11冃戶隕式下釣稅序訓(xùn)岡轉(zhuǎn)収揉作梧令?巧使用該并常機(jī)制實(shí)觀懇規(guī)動彪勇用?扌旨令預(yù)取中止若處現(xiàn)每泉和楷令的地址不存戎初地址不允許當(dāng)林掛令訪問?冇赭呂會向處理屆發(fā)出中止館號?但當(dāng)更駅的櫛令啟執(zhí)行時(shí)?才會產(chǎn)土柑令預(yù)取中止異常。it黑中止若處理器黃據(jù)訪何柑金的地址不存在，孤謹(jǐn)?shù)刂凡辉试S號刖棚今訪問時(shí)，產(chǎn)生救撼中止并席.IRQ（外邯中斷請現(xiàn)）少處理&的外禪中斷請汞引膚有敗ACPSR中的I位為oth戶生IRQ并帶?系fit的外汶r■通過址界常請求中斷服務(wù).

FIQ（快逵中斷量求）當(dāng)處理器的快速中晰請求引騰有域，XCPSR中的F炷為0時(shí)嚴(yán)生FIQ畀常.ss①」pp<」04杲>uold①UXLUnud■chshscd、*^e〔9」#SCDLIKn*、T"sMsdu①一I-old」01①s①#H人①pol/\IIUOQd①UXLUV4i、*^區(qū)燈獎(jiǎng)三#<w*、。丄巴"SCO」QquunN①POEuog①UXLUHp寸疋sdu"SCOH人①pol/\lluo一-d①uxLUvl#sdsdu-」u」n^#H人①pol/\IIUOQd①UXLUV|寸1#「il「-Mo二"二z工JPO7J71①POUIOISop6sq①cnn-①怛鳥g?味女#<CxJM(4:0]處眾馬浜氏1訪問的彎右爲(wèi)OblOOOO用"乂PC,CPSR.R0-R14OblOOOlFIQMXPC.CPSR-SPSR_fiq.R14_fiq-R8fiqrR7~ROOblOOlOIRQ*APC.CPSR.SPSR_丄rq.R14_irq?R13_irq?R1.T?ROOblOOll軒理澳式PC,CPSR.SPSR-Svu,R14SVC,R13svc,tR12?RO.OblOlll中止塊式PC,CPSR,SPSRabt,R14abtR13abtR12~R0.**rrObllOll來定義樓式PC.CPSR,SPSR-Und?R14undrR13undfR丄2?RO.OblllllPC,CPSR.R14?RO就沁學(xué)的異常狀態(tài)⑷復(fù)位完成下列操作：R14_svc■UNPREDICTABLEvalue/*進(jìn)入管理旗式?//■在/*進(jìn)入管理旗式?//■在ARM狀態(tài)執(zhí)行?//*禁止快it中斷*//?禁止正常中斷?/CPSR[4:0]=OblOOllCPSR[5]=0CPSR[6]?1CPSR[7]=1IfhighvectorsconfiguredthenPOOxFFFFOOOOelsePOOxOOOOOOOO復(fù)位不需矣返回.ARM微處理器的異常狀態(tài)(5)指令異常未定義指令異常出現(xiàn)時(shí).執(zhí)行下列操作:R14_und=addressofnextinstructionaftertheundefinedinstructionSPSR_und=CPSRCPSRT4:0]=ObllOllCPSR⑸=0CPSR[7]工1IfhighvectorsconfiguredthenPC=0xFFFF0004elsePC=0x00000004/?進(jìn)入未定義樓式?//?在*//*CPSR[6]不變*//*禁止正常中斷?/MOVSPC,LRARM微處理器的異常狀態(tài)(6)設(shè)Jt'?bit,PC做為目的底轉(zhuǎn)權(quán)模犬不僅僅更斬PC,而且挎JQSPSR到CFSR.管理異常異常出現(xiàn)時(shí)，執(zhí)行下列操作：R14_svc=addressofnextinstructionaftertheSWIinstructionSPSR_svc■CPSR/?進(jìn)入管理模A///?在ARM/*CPSR[6]不變*/CPSR[7]=1/?禁止正常中斷?/CPSR[4:0]=OblOOIICPSR[5]=0IfhighvectorsconfiguredthenPC=OxFFFFO0O8elsePC=0x00000008返回：MOVSPC,LR預(yù)取中AR預(yù)取中止異常出現(xiàn)時(shí)，執(zhí)行下列操作:R14_abt=addressoftheabortedinstruction+8SPSR_abt=CPSRCPSr預(yù)取中止異常出現(xiàn)時(shí)，執(zhí)行下列操作:R14_abt=addressoftheabortedinstruction+8SPSR_abt=CPSRCPSr"[4:0]=OblOIIICPSR[5]-0CPSR[7]=1/?進(jìn)入中止模式#//★在ARM狀態(tài)執(zhí)行*//*CPSR[6]不變*/"禁止正常中斷★/IfhighvectorsconfiguredthenPC=OxFFFF0010elsePC=0x00000010返回：SUBSPC,LR,#8XARM微處理器2?Bi年常狀態(tài)(9)SytemBus通垃處理召上的IRQ輸入引片，由外樣產(chǎn)生XRQ舟倉?TRQ井倉的優(yōu)尢級比FTQ卉倉當(dāng)址入FTQ處理葉?會屛住抻IRQ異術(shù)。蓍CPSR的I位為一則禁止IRQ荼I位為0.JHARM在押令執(zhí)行丸之后檢士工RQ輸入.IRQ畀倉出現(xiàn)時(shí)，執(zhí)行下列操作:R14_lrq■addressofnextinstructiontobeexecutedCPSR(4:0]=OblOOIOCPSR(5]■04SPSRirqR14_lrq■addressofnextinstructiontobeexecutedCPSR(4:0]=OblOOIOCPSR(5]■0/?址入IRQ樓式?//*X1ARM狀杰執(zhí)行?//■CPSR[6]不變?/CPSR[7]=1/*<止正韋中析"IfhighvectorsconfiguredthenPC-0XFFFF0018elsePC-0x00000018<?:SUBSPC,LR#?4

ARI斷請束（elq）異常J.通過處理馮上的EIQ輸入引腳，由外祁產(chǎn)生FTQ異常.若CPSR的F位為I,則禁止FTQ異索?若F位為0,則ARM/I梧令執(zhí)行完之后檢查FIQ?T入FTQ異倉出現(xiàn)時(shí)，執(zhí)行下列操作:/?進(jìn)入FTQ模式/?進(jìn)入FTQ模式?/"在r?/CPSrT4:0]=OblOOOl/?禁止快速中斷?//?禁止正常中斷/?禁止快速中斷?//?禁止正常中斷?/CPSR同-1CPSR[7]工1IfhighvectorsconfiguredthenPC=0xFFFF0O1CelsePC=0x0000001C返回：SUBSPC,LR|#4占ARM微處理器的異常狀態(tài)（11）?從異常返回異常處理完畢之后，ARM微處理器會執(zhí)行以下幾步操作從異常返回：1、將連接寄存器LR的值減去相應(yīng)的偏移量后送到PC中2、將SPSR復(fù)制回CPSR中3、若在進(jìn)入異常處理時(shí)設(shè)置了中斷禁止位，要在此清除..ARM微處理器的異常狀態(tài)(14)ARM微處理器的異常狀態(tài)（12）常進(jìn)入/退出小結(jié)返T捲令BLMOVPC,LR;R14SWIMOVSPC,LR;R14svcUDEFMOVSPC,LR;R14undFIQSUBSPC,LR,#4;R14fiqIRQSUBSPC,LR,#4;R14irqPABTSUBSPC,LR,#4;R14abtDABTSUBSPC,LR,#8;R14abtRESETNAARM微處理器的異常狀態(tài)（13）倉向量（ExceptionVectors）異岔出現(xiàn)后冬制從并常吳型對應(yīng)的因定存借莠地址開始執(zhí)行程序。這些因定的地址稱為異常向量?地址并常進(jìn)入檢丸0x0000,0000復(fù)位管理摸式0x00000004r未定義指令未定義模丸0x0000,0008軟伸■中斯0x0000ooo