嵌入式系统PPT电子课件教案-第4讲_异常响应及寻址方式.ppt

arm处理器的应用选型,1、内核的选择 2、系统工作频率 3、芯片内存储器的容量 4、片内外围电路的选择,arm处理器工作模式,cpsr（当前程序状态寄存器）的低5位用于定义当前操作模式 , 如图示：,arm处理器工作模式,除用户模式外的其他模式称为特权模式 。 特权模式中除系统模式以外的5种模式又称为异常模式，即 ： fiq（fast interrupt request） irq（interrupt request） svc（supervisor） 中止（abort） 未定义（undefined）,arm寄存器组成概述,arm处理器总共有37个寄存器，可以分为以下两类寄存器 ： 1） 31个通用寄存器 ： r0r15； r13_svc、r14_svc； r13_abt、r14_abt； r13_und、r14_und； r13_irq、r14_irq； r8_frq-r14_frq。 2）6个状态寄存器 cpsr；spsr_svc、spsr_abt、spsr_und、spsr_irq和spsr_fiq 。,arm状态下的寄存器组织,1）arm状态的寄存器简介： arm状态下的寄存器组织：,arm状态下的寄存器组织,2) arm状态的通用寄存器 不分组寄存器（the unbanked registers） r0r7 分组寄存器（the banked registers）： r8r14 程序计数器：r15（pc）,arm状态下的寄存器组织,cpsr和spsr的格式,异常中断的优先级,当几个异常中断同时发生时，在arm中通过给各异常中断赋予一定的优先级来实现处理次序 ： 复位（最高优先级）； 数据异常中止； fiq； irq； 预取指异常中止； swi、，未定义指令（包括缺协处理器）。,arm的异常中断,在arm体系结构中，异常中断用来处理软件中断、未定义指令陷阱（它不是真正的“意外”事件）及系统复位功能（它在逻辑上发生在程序执行前而不是在程序执行中，尽管处理器在运行中可能再次复位）和外部事件，这些“不正常”事件都被划归“异常”，因为在处理器的控制机制中，它们都使用同样的流程进行异常处理。,arm的异常中断,arm的异常中断响应过程； 异常中断向量表； 从异常中断处理程序中返回 ；,arm的异常中断响应过程,arm处理器对异常中断的响应过程如下： 将cpsr的内容保存到将要执行的异常中断对应的spsr中 。 设置当前状态寄存器cpsr中的相应位 将引起异常指令的下一条指令的地址保存到新的异常工作模式的r14 。 给程序计数器（pc）强制赋值 。,异常中断向量表,中断向量表中指定了各异常中断与其处理程序的对应关系 。 每个异常中断对应的中断向量表的4个字节的空间中存放一个跳转指令或者一个向pc寄存器中赋值的数据访问指令 。 存储器的前8个字中除了地址0x00000014之外，全部被用作异常矢量地址 。,arm的异常中断响应过程,每个异常模式对应有两个寄存器r13_、r14_分别保存相应模式下的堆栈指针、返回地址；堆栈指针可用来定义一个存储区域保存其它用户寄存器，这样异常处理程序就可以使用这些寄存器。 fiq模式还有额外的专用寄存器r8_fiqr12_fiq，使用这些寄存器可以加快快速中断的处理速度。,从异常中断处理程序中返回,从异常中断处理程序中返回时，需要执行 以下四个基本操作 ： 所有修改过的用户寄存器必须从处理程序的保护堆栈中恢复（即出栈）。 将spsr_mode寄存器内容复制到cpsr中，使得cpsr从相应的spsr中恢复，即恢复被中断的程序工作状态。 根据异常类型将pc变回到用户指令流中相应指令处。 最后清除cpsr中的中断禁止标志位i/f。,r14_=return link spsr_ _=cpsr cspr4:0= exception mode number cspr5=0 cspr7=1 if =reset or riq then cspr6=1 pc=exception vector address,处理器数据类型和长度,arm处理器支持以下数据类型： byte 字节，8位 halfword 半字，16位 (半字必须与2字节边界对准，地址低两位总为0) word 字，32位(字必须与4字节边界对准，地址的最低位为0),说明： (1) 数据类型被说明成unsigned类型时，n位数据值表示范围是02n1的非负整数，使用通常的二进制格式。 (2) 数据类型被说明成signed类型时，n位数据值表示范围是2n12n11的整数，使用二进制的补码格式。 (3) 所有的数据操作，如add，都以字进行处理。 (4) 加载和存储操作，以字节、半字或字的大小与存储器交换数据。加载时自动进行字节或半字的零扩展或符号扩展。 (5) arm指令的长度为一个字(与4字节边界对准)，thumb指令的长度为一个半字(与2字节边界对准)。,3.处理器数据存储格式,存储器格式包括小端和大端两种格式。,在小端存储格式下，字或半字地址的低字节(对准字节)存放在低地址；在大端存储格式下，字或半字地址的低字节(对准字节)存放在高地址。下面举例说明大、小端存储格式对程序的影响，如图所示。,指令str r0，r1将r0中的字存入r1的地址，指令ldrb r2，r1将r1中的一个字节加载到r2。可以看到，对于r00x11223344，如果配置成小端存储格式，则r2的值为0x44；如果配置成大端存储格式，则r2的值为0x11。 arm处理器的大、小端存储格式是通过硬件配置的，如果连接有系统控制协处理器，则另当别论。小端存储格式是arm处理器的缺省格式。,arm典型流水线技术简介,三级流水线arm的组织,流水线 arm7系列的处理器采用三级流水线的组织结构，arm9系列的处理器采用五级流水线的组织结构。 流水线技术是现代微处理器普遍采用的一种技术，它可以使得几条指令并行执行，因此可以大大提高处理器的运行效率。,三级流水线分为以下三级： (1) 取指：从程序存储器中读取指令，放入流水线中。 (2) 译码：操作码和操作数被译码，决定执行什么功能，为下一个时钟周期准备数据路径所需要的控制信号。 (3) 执行：执行已译码的指令。具体过程是，指令进入数据路径，寄存器堆被读取，操作数被移位，alu进行相应的运算，将结果写到目的寄存器，同时alu运算的结果还会根据指令的要求改变寄存器的条件位。,在正常情况下，每条指令都被划分成3个时钟周期来完成，即取指、译码和执行。但对于流水线来讲，可以使得每个时钟周期完成一条指令，即每个周期流水线都有一条指令的吞吐量(throughput)。通常将这种情况称为单周期指令的三级流水线操作，如图所示。,arm寻址方式,立即寻址 寄存器寻址 寄存器间接寻址 寄存器移位寻址 基址加偏址寻址 多寄存器寻址 堆栈寻址 块拷贝寻址 相对寻址,立即寻址,立即寻址也叫立即数寻址，这是一种特殊的寻址方式，操作数本身就在指令中给出，只要取出指令也就取到了操作数，这个操作数被称为立即数，对应的寻址方式也就叫做立即寻址。例如以下指令： add r0，r0，1 /*r0r01*/ add r0，r0，0x3f /*r0r00x3f*/ 在以上两条指令中，第二个源操作数即为立即数，要求以“”为前缀，对于以十六进制表示的立即数，还要求在“”后加上“0x”。,寄存器寻址,寄存器寻址就是利用寄存器中的数值作为操作数，这种寻址方式是各类微处理器经常采用的一种方式，也是一种执行效率较高的寻址方式。以下指令： add r0，r1，r2 /*r0r1r2*/ 该指令的执行效果是将寄存器r1和r2的内容相加，其结果存放在寄存器r0中。,寄存器移位寻址,第二操作数为寄存器型的移位操作 在arm指令的数据处理指令中参与操作的第二操作数为寄存器型时，在执行寄存器寻址操作时，可以选择是否对第二操作数进行移位，即rm，。例如指令： add r3，r2，r1，lsr #2 ；,第二操作数移位方式 lsl：逻辑左移，空出的最低有效位用0填充。 lsr：逻辑右移，空出的最高有效位用0填充。 asl：算术左移，由于左移空出的有效位用0填充，因此 它与lsl同义。 asr：算术右移，算术移位的对象是带符号数，移位过程中必须保持操作数的符号不变。如果源操作数是正数，空出的最高有效位用0填充，如果是负数用1填充。 ror：循环右移，移出的字的最低有效位依次填入空出的最高有效位。 rrx：带扩展的循环右移。将寄存器的内容循环右移1位，空位用原来c标志位填充。,寄存器间接寻址,寄存器间接寻址就是以寄存器中的值作为操作数的地址，而操作数本身存放在存储器中。例如以下指令： ldr r0，r1 /*r0r1*/ str r0，r1 /*r1r0*/ 第一条指令将以r1的值为地址的存储器中的数据传送到r0中。第二条指令将r0的值传送到以r1的值为地址的存储器中。,基址加偏移量寻址,基址变址寻址就是将寄存器（该寄存器一般称作基址寄存器）的内容与指令中给出的地址偏移量相加，从而得到一个操作数的有效地址。变址寻址方式常用于访问某基地址附近的地址单元。采用变址寻址方式的指令又可以分为以下几种形式： 前变址模式： ldr r0，r1，4；r0r14 后变址模式： ldr r0，r1 ，4；r0r1、r1r14 自动变址模式： ldr r0，r1，4！ ；r0r14、r1r14,基址加偏移量寻址,基址寄存器的地址偏移可以是一个立即数，也可以是另一个寄存器，并且在加到基址寄存器前还可以经过移位操作，如下所示： ldr r0，r1，r2；r0mem32r1+r2 ldr r0，r1，r2，lsl #2；r0r1+r2*4 但常用的是立即数偏移的形式，地址偏移为寄存器形式的指令很少使用。,多寄存器寻址 多寄存器寻址是指一次可以传送多个寄存器的值，允许一条指令一次传送16个寄存器的任何子集，包括16个寄存器。例： ldmia r1，r0，r2，r5 ; r0r1 ; r2r1+4 ; r5r1+8 由于传送的数据总是32位的字，因此基址寄存器r1应当字对准。这条指令是将r1指向的连续存储单元的内容送到寄存器r0、r2和r5。,堆栈寻址,堆栈是一种数据结构，按先进后出（first in last out，filo）的方式工作，使用一个称作堆栈指针的专用寄存器指示当前的操作位置，堆栈指针总是指向栈顶。 当堆栈指针指向最后压入堆栈的数据时，称为满堆栈（full stack），而当堆栈指针指向下一个将要放入数据的空位置时，称为空堆栈（empty stack）。 即访问存储器时，存储器的地址向高地址方向生长，称为递增堆栈（ascending stack）。 存储器的地址向低地址方向生长，称为递减堆栈（descending stack）。,堆栈寻址,四种类型的堆栈工作方式 ： 满递增堆栈：堆栈指针指向最后压入的数据，且由低地址向高地址生成。 满递减堆栈：堆栈指针指向最后压入的数据，且由高地址向低地址生成。 空递增堆栈：堆栈指针指向下一个将要放入数据的空位置，且由低地址向高地址生成。 空递减堆栈：堆栈指针指向下一个将要放入数据的空位置，且由高地址向低地址生成。,块拷贝寻址,块拷贝寻址是多寄存器传送指令ldm/stm的寻址方式。ldm/stm指令可以把存储器中的一个数据块加载到多个寄存器中，