武汉创维特ARM教学系统02ARM体系结构及编程模型.pptx

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1、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。第1页/共67页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

2、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

3、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。第2页/共67页3ARMARM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的的RISCRISC架构，基于架构，基于ARMARM核的核的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部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域分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展，扩展，ARMARM微控制器的

4、低功耗、高性价比，向传统微控制器的低功耗、高性价比，向传统的的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第3页/共67页4ARMARM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行了优化，并获得广泛支持，也对处理上行了优化

5、，并获得广泛支持，也对DSP的应用领域提的应用领域提出了挑战。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智能卡也采用了智能卡也采用了ARM技术。技术。q第4页/共67页5ARMARM微处理器的特点低功耗、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

6、本、高性能使用大量的寄存器ARM/THUMB指令支持三/五级流水线第5页/共67页6ARMARM微处理器的特点采用RISCRISC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 本寻本寻址方式有址方式有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，便于流水线操作执行；大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作，只有加载操作，只有加载/存储指令可以访问存储器，以提高指存储指令可以访问存储

7、器，以提高指令的执行效率。令的执行效率。第6页/共67页7ARMARM微处理器的特点大量使用寄存器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态及程序的运行状态，均为序的运行状态，均为32位。位。第7页/共67页8ARMARM微处理器的特点高效的指令系统ARM技术的应用领域及特点qARM微处理器支持两种

8、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。Thumb指令集为指令集为ARM指令集的功能子集，但与等价的指令集的功能子集，但与等价的ARM代码相比较，可节省代码相比较，可节省3040以上的存储空间，同时具备以上的存储空间，同时具备32位代码的所有优点。位代码的所有优点。第8页/共67页9ARMARM微处理器的特点其他技术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

9、，并降低功耗：在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。第9页/共67页10二、ARMARM微处理器系列 ARM微处理器系列qARM7系列系

10、列qARM9系列系列qARM9E系列系列qARM10E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。第10页/共67页11ARM7ARM7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

11、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，

12、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微处理器系列第11页/共67页12ARM7ARM7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。其

13、中，中，ARM7TMDI是目前使用最广泛的是目前使用最广泛的32位嵌入式位嵌入式RISC处理处理器，属低端器，属低端ARM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为压缩指令集为压缩指令集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；第12页/共67页13ARM9ARM9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：佳的表现。具有

14、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。第13页/共67页14ARM9ARM9微处理器系列qA

15、RM9ARM9系列微处理器主要应用于无线设备、仪器仪表、安系列微处理器主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。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三三种类型，以适用于不同的应用场合。种类型，以适用于不同的应用场合。第14页/共67页15ARM9E微处理器系列微处理器系列 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D

16、SP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。第15页/共67页16ARM9EARM9E微处理器系列qA

17、RM9EARM9E系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字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消费品、成像设备、工业控制、存储设备和网络设备等领域。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。第16页/共67页17ARM10EARM10E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：

18、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/

19、写操作部件。写操作部件。第17页/共67页18ARM10EARM10E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、通信和信息系统等领域。消费品、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。第18页/共67页19SecurCoreSecur

20、Core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，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。第19页/共67页20SecurCoreSecurCore微处理器系列qSecurCoreSe

21、curCore系列微处理器主要应用于一些对安全性要求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、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、网络和认证系统等领域。电子银行业务、网络和认证系统等领域。ARM微处理器系列qSecurCoreSecurCore系列微处理器包含系列微处理器包含SecurCore SC100SecurCore SC100、SecurCore SC110SecurCore SC110、SecurCore SC200SecurCore SC200和和SecurCore SecurCore SC210SC210四种类

22、型，以适用于不同的应用场合。四种类型，以适用于不同的应用场合。第20页/共67页21StrongARMStrongARM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Int

23、elIntel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。第21页/共67页22Xscale处理器处理器 ARM微处理器系列qXscale Xscale 处理器是基于处理器是基于ARMv5TEARMv5TE体系结构的解决方案，是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。它支持一款全性能、高性价比、低功耗的处理器。它支持1616位位的的ThumbThumb指令和指令和D

24、SPDSP指令集，已使用在数字移动电话、个指令集，已使用在数字移动电话、个人数字助理和网络产品等场合。人数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。第22页/共67页23三 ARMARM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，ARMARM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指指令；令；Thum

25、b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。第23页/共67页24ARMARM与THUMBTHUMBqTHUMB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40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30第24页/共67页25状态切换方法 qARMARM指令集和指令集和ThumbThumb

26、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。第25页/共67页26进入进入ThumbThumb状态状态q当操作数寄存器的状态位（位当操作数寄存器的状态位（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

27、、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第26页/共67页27切换到ARMARM状态q当操作数寄存器的状态位为当操作数寄存器的状态位为0 0时，执行时，执行BXBX指令时可以使指令时可以使微处理器从微处理器从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，也可接寄

28、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以使处理器切换到ARMARM状态。状态。第27页/共67页28四 处理器模式ARM微处理器的工作模式qusrusr：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qfiqfiq：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qirqirq：用于通用的中断处理：用于通用的中断处理qsvcsvc：操作系统使用的保护模式：操作系统使用的保护模式qabtabt：用于虚拟存储及存储保护：用于虚拟存储及存储保护qsyssys：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qundund：当出现未定义指令终止时进入该模式

29、：当出现未定义指令终止时进入该模式第28页/共67页29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种处理器模式称为特权模式种处理器模式称为特权模式q特权模式下，程序可以访问所有的系统资源，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种模式又称为异常模式种模式又称为异常模式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

30、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，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。第29页/共67页30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。中断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当应用程序发生异常中断时，处

31、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序使用，这样就可以保证在进入异常模的异常处理程序使用，这样就可以保证在进入异常模式时，用户模式下的寄存器不被破坏。式时，用户模式下的寄存器不被破坏。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。但是系统模式属于特权模式，可完全一样的寄存器。但是系统模式属于特权模式，可以访问所有的系统资源，也可以直接进行处理器模式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务使用。通常操作系统的切换。

32、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，同时该任务仍然使用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相应的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，这样可以保证当异常中断发生时任务状态寄存器组，这样可以保证当异常中断发生时任务状态不被破坏。不被破坏。第30页/共67页31五 ARMARM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

33、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。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 第31页/共67页32ARMARM体系结构的存储器格式大端格式 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

34、据的低字节则存放在高地址中第32页/共67页33ARMARM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第33页/共67页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），状态下），也可以为也可以为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

35、字节（微处理器中支持字节（8 8位）、半字（位）、半字（1616位）、字位）、字（3232位）三种数据类型，其中，字需要位）三种数据类型，其中，字需要4 4字节对齐（地字节对齐（地址的低两位为址的低两位为0 0）、半字需要）、半字需要2 2字节对齐（地址的最低字节对齐（地址的最低位为位为0 0）第34页/共67页35非对齐的存储访问操作 q在在ARMARM种，如果存储单元的地址没有遵守对齐规则，则种，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q非对齐的指令预取操作非对齐的指令预取操作q非对齐的数据访问操作非对齐的数据访问

36、操作第35页/共67页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。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。第36页/共67页

37、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 0XFFFF

38、FFFE)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；由存储系统实现这种忽略。也就是说，这低位的值；由存储系统实现这种忽略。也就是说，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当发生非对齐地数据访问时，到底采用上述三种方法中当发生非对齐地数据访问时，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。第37页/共67页38六 寄存器组织 ARMARM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

39、通用寄存器，个为通用寄存器，6 6个为状态寄存器。但是这些寄存器不能被个为状态寄存器。但是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。但在任何时候，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。但在任何时候，通用寄存器通用寄存器R14R14R0R0、程序计数器、程序计数器PCPC、一个或两个状态寄存器都是可访问的。、一个或两个状态寄存器都是可访问的。ARM微处理器的寄存器格式第38页/共67页39ARMARM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R0

40、R0R7R7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第39页/共67页40ARM状态下的寄存器组织ARM微处理器的寄存器格式第40页/共67页41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。第41页/共67页42分组寄存器R8R8R12R12ARM微处理器的寄存器格式q每次所

41、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。第42页/共67页43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个物理寄存器对应于其他5种不同的运行模式q采用以下的记号来区分不同的物理寄存器：R13_R14_qmode为以下几种之一：usr、fiq、irq、svc、abt、und。第43页/共67页44堆栈指针

42、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。第44页/共67页45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

43、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。BLSUB1SUB1:STMFDSP!,LR/*将R14存入堆栈*/LDMFDSP！,PC/*完成子程序返回*/第45页/共67页46程序计数器PC(R15)PC(R15)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，

44、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指指令令集集而而言言，PC总总是是指指向向当当前前指指令令的的下下两两条条指指令令的的地地址址，即即PC的值为当前指令的地址值加的值为当前指令的地址值加8个字节。个字节。第46页/共67页

45、47程序状态寄存器(CPSR/SPSR)(CPSR/SPSR)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，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。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），异常发生时，（备份的程序状态寄存器）

46、，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由于用户模式和系统模式不属于异常模式，他们没有由于用户模式和系统模式不属于异常模式，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。第47页/共67页48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（SPSRsSPS

47、Rs）。备份的程序状态寄）。备份的程序状态寄存器用来进行异常处理，其功能包括：存器用来进行异常处理，其功能包括：保存ALU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第48页/共67页49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第49页/共67页50程序状态寄存器的条件码标志 N N、Z Z、C C、V V均为条件码标志位。它们的内容可被算术或逻辑运算的结果所改变，均为条件码标志位。它们的内容可被算术或逻辑运算的结果所改变，并且可以决定某条指令是否被执行并且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，绝大多数的指令都是有条件执行的。状

48、态下，绝大多数的指令都是有条件执行的。q在在ThumbThumb状态下，仅有分支指令是有条件执行的。状态下，仅有分支指令是有条件执行的。第50页/共67页51影响标志位的指令标志位含 义N当用两个补码表示的带符号数进行运算时，N=1 表示运算的结果为负数；N=0 表示运算的结果为正数或零；ZZ=1 表示运算的结果为零；Z=0表示运算的结果为非零；C加法运算结果进位时，C=1，减法运算借位时，C=0；移位操作的非加/减运算指令，C为移出的最后一位；其他的非加/减运算指令，C的值通常不改变。V加/减法运算指令，V=1表示符号位溢出。对于其他的非加/减运算指令，C的值通常不改变。Q在ARM v5及以

49、上版本的E系列处理器中，Q标志指示DSP运算指令是否溢出。在其他版本中，Q标志位无定义。ARM微处理器的寄存器格式第51页/共67页52程序状态寄存器的控制位 状态寄存器的低状态寄存器的低8 8位（位（I I、F F、T T和和M4M4：00）称为控制位，发生异常时这些位可以）称为控制位，发生异常时这些位可以被改变。如果处理器运行被改变。如果处理器运行特权模式特权模式，这些位也可以由程序修改。，这些位也可以由程序修改。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

50、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系列处理器，当该位系列处理器，当该位为为1 1时，程序运行于时，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及以上的版本的非及以上的版本的非T T系列处理器，当该系列处理器，当该位为位为1 1时，执行下一条指令以引起为定义的指令异常；时，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，表示运行于时，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