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第2章ARM体系结构 硅谷芯微技术贡献网址 www threeway cc 本章中 将着眼于ARM9内核 处理器状态与模式 内部寄存器 程序状态寄存器 异常 中断及其向量表和存储系统的学习 这是成为一个应用工程师必备的基础 本章中程序范例除非特别声明 否则处理器均处于ARM状态 执行字方式的ARM指令 第2章目录 1 ARM9TDMI2 ARM的模块 内核和功能框图3 ARM处理器状态4 ARM处理器模式5 ARM内部寄存器6 当前程序状态寄存器7 ARM体系的异常 中断及向量表8 ARM体系的存储系统9 课后练习 2 1ARM9TDMI ARM9TDMI是基于ARM体系结构v4版本的高端ARM核 注意 核并非芯片 ARM核与其他部件 如RAM ROM 片内外设 组合在一起才构成现实的芯片 ARM9TDMI是从ARM7核发展而来的 ARM9TDMI后缀的涵义如下 T 支持高密度Thumb指令集扩展 D 支持片上调试 M 支持64位乘法指令 I 带EmbeddedICE硬件仿真功能模块 ARM9TDMI S是ARM9TDMI的可综合 synthesizable 版本 软核 对应用工程师来说 除非芯片生产厂商对ARM9TDMI S进行了裁剪 否则在逻辑上ARM9TDMI S与ARM9IDMI没有太大区别 其编程模型与ARM7TDMI一致 2 1 1存储器的字与半字 1 ARM处理器使用了冯 诺依曼 vonNeumann 结构 提供单一的主存接口 比如ARM7处理器就是标准的冯 诺依曼 vonNeumann 结构 而ARM9处理器的CPU MMU CACHE系统是指令和数据分开的 不过通常也还是提供单一的主存接口 因此ARM9处理器也可以看成是哈佛 Harvard 结构 从大的方面讲 无论哪种ARM处理器结构 都可以看成是是冯 诺依曼 vonNeumann 结构 指令和数据共用一条32位总线 因此只有装载 存储和交换指令可以对存储器中的数据进行访问 ARM处理器直接支持8位字节 16位半字或者32位字的数据类型 其中 以能被4整除的地址开始连续的4个字节构成1个字 字的数据类型为4个连续的字节 从偶数地址开始连续的2个字节构成一个半字 半字的数据类型为2个连续的字节 ARM指令的长度刚好是1个字 Thumb指令的长度刚好是一个半字 2 1 1存储器的字与半字 2 如果一个数据是以字方式存储的 那么它就是字对齐的 否则就是非字对齐的 如果一个数据是以半字方式存储的 那么它就是半字对齐的 否则就是非半字对齐的 半字与字对齐的实际情况见表2 1 表2 1半字与字对齐 2 1 1存储器的字与半字 3 注意 ARM处理器直接支持对齐的半字或字数据的存取 也就是可以使用一条相应的指令来实现对应操作 详见第三章 如果访问非对齐的半字或字数据 将需要多条指令组合才能实现对应的操作 这对程序的执行效率影响较大 因此 在C语言编程中 定义的多字节变量或结构体 最好使其为对齐存放 2 1 25级流水线 1 ARM处理器使用流水线来增加处理指令流的速度 这样可使几个操作同时进行 并使处理和存储器之间的操作更加流畅 连续 能提供1 1MIPS MHz的指令执行速度 相比ARM7 3级流水线 ARM9增加了2个功能部件分别访问存储器并写回结果 且将读寄存器的操作转移到译码部件上 使流水线各部件在功能上更平衡 5级流水线如图2 1所示 其中PC为程序计数器 流水线使用5个阶段 因此指令分为5个阶段执行 取指 从存储器装载一条指令 译码 识别将要被执行的指令 执行 处理指令 产生ALU运算结果或产生存储器地址 对于存储器访问指令来讲 访存 访问数据存储器 回写 将执行结果写回寄存器 2 1 25级流水线 2 图2 1ARM9的5级指令流水线 2 1 25级流水线 3 在传统的80C51单片机中 处理器只有完成一条指令的读取和执行后 才会开始下一条指令的处理所以PC总是指向正在 执行 的指令 而ARM9处理器采用5级流水线 具有5个工位 将指令的处理分为5个阶段 分别是取指 译码 执行 访存和回写 因此ARM 正在执行 第3条指令的同时对第4条指令进行译码 将第5条指令从存储器中取出 对第2条指令完成访存操作 对第1条指令完成回写操作 那么一条ARM9流水线只有在取第6条指令的时 第一条指令才算完成执行 也就是说 在流水线中同时存在5条指令 它们分别处于不同的处理阶段 下面用图2 2来进一步阐述5级流水线的处理机制 这样更加形象和具体 该图反映了处理器处于第三个周期时的PC指向 在执行 指令1 的同时对 指令2 进行译码 并将 指令3 从存储器中取出 也就是说当 指令1 2 1 25级流水线 4 完成执行时 才开始对 指令4 的取指处理 由此可见 与PC有关的阶段只有取指 译码和执行 即执行PC 8处的指令的同时 对PC 4处的指令进行译码操作 对PC处的指令进行取指操作 而访存与回写则与PC无关 图2 2ARM9的5级最佳流水线指令执行顺序 2 1 25级流水线 5 无论处理器处于何种状态 程序计数器R15 即PC 总是指向 正在取指 的指令 而不是指向 正在执行 的指令或正在 译码 的指令 一般来说 人们习惯性约定将 正在执行的指令作为参考点 称之为当前第1条指令 因此 PC总是指向第3条指令 或者说PC总是指向当前正在执行的指令地址再加2条指令的地址 当处理器处于ARM状态时 每条指令长为4字节 所以PC的值为正在执行的指令地址加8字节 即 当处理器处于Thumb状态时 每条指令长为2字节 所以PC的值为正在执行的指令地址加4字节 即 2 1 25级流水线 6 下面通过示例程序来进一步了解实际读取PC时要注意的问题 如程序清单2 1所示 程序清单2 1PC的读取假设地址0 x4000上的ADD指令是处理器 正在执行 的第1条指令 该指令的功能是把PC 4的值放到PC寄存器里 通常用于程序跳转 由于PC总是指向第三条指令 即0 x4008就是 正在取指 的指令的地址 从而可以得出地址 PC 4 0 x4008 4 0 x400C 于是将地址值0 x400C写入PC寄存器 千万不要误认为是写入地址值0 x4004 2 1 25级流水线 7 注意 从上面的描述可以发现只有流水线被指令填满时才能发挥最大效能 即每时钟周期完成一条指令的执行 仅指单周期指令 如果程序发生跳转 流水线会被清空 这将需要几个时钟才能使流水线再次填满 因此 尽量少地使用跳转指令可以提高程序执行效率 解决方案就是尽量使用指令的 条件执行功能 详见第三章 2 2ARM的模块 内核和功能框图 ARM的模块框图见图2 3 功能框图见图2 4 内核框图见图2 5 ARM模块包含了CPU协处理器接口信号 读与写数据总线 WDATA和RDATA EmbeddedICE硬件仿真功能模块和片上调试系统等必备的功能 数据总线上没有双向路径 图2 3对这些作了简化 如图2 4所示 ARM微处理器与传统的8位单片机相比 在很多地方都有相似之处 例如 同样也包含了时钟 存储器接口 存储器管理接口 总线控制 仲裁等基本功能模块 所不同的是增加了功能更加强大的协处理器接口 调试接口 同步的EmbeddedICE RT扫描调试访问接口等 图2 3ARM模块框图 图2 4ARM功能框图 图2 5ARM内核框图 2 3ARM处理器状态 嵌入式系统在某些应用场合对存储成本或空间要求比较苛刻 为了让用户更好地控制代码量 于是设计了2套指令系统 分别为ARM指令集和Thumb指令集 其中ARM指令集为32位 字 长度 具有最完整的功能 Thumb指令集为16位 半字 长度 能实现ARM指令集的大部分功能 在功能上可以认为Thumb是ARM指令集的子集 见图2 6 图2 6两种指令集的关系 但其却具有极高的代码密度 平均缩减30 的代码量 既然ARM处理器共存2种指令集 那么到底何时执行ARM指令集 何时执行Thumb指令集呢 ARM处理器有2个处理器状态与这2套指令集分别对应 以 当前程序状态寄存器CPSR 中的控制位T反映处理器正在操作的状态 即哪种指令集正在执行 当T 0时 处理器处于ARM状态 执行ARM指令 当T 1时 处理器处于Thumb状态 执行Thumb指令 由此可见 ARM处理器的2种操作状态分别为 ARM状态 32位 处理器执行字方式的ARM指令 处理器在系统上电时默认为ARM状态 Thumb状态 16位 处理器执行半字方式的Thumb指令 注意 ARM和Thumb状态间的切换并不影响处理器模式或寄存器内容 只有当处理器处于ARM状态时 ARM指令集才有效 反之只能使用Thumb指令集 当处理器处于Thumb状态 处理器 只能 执行16位的Thumb指令 也就是说 无论处理器处于何种状态 ARM指令集与Thumb指令集不能同时混合使用 从一个ARM例程调用另一个Thumb例程时 内核必须切换状态 反之亦然 下面使用BX分支指令将ARM内核的操作状态在ARM和Thumb之间进行切换 见程序清单2 2 程序清单2 2状态的切换 注意 BX指令是在程序跳转的同时进行状态切换 前面提到 在程序发生跳转时流水线会被清空 所以使用BX指令进行状态切换后 流水线中按原来处理器状态进行取指和译码的指令 与当前处理器状态不符的指令 会被清除 也就不会引起处理器的错误 在第三章会介绍一条可以直接修改CPSR SPSR寄存器的 MSR 写状态寄存器指令 通过它来修改T位可以实现状态切换 但是 因为它不会清空流水线 所以这种方法是不安全的 因此强烈推荐使用BX指令进行安全的状态切换 2 4ARM处理器模式 ARM处理器共支持7种处理器模式 并以当前程序状态寄存器CPSR中的控制位M 4 0 反映处理器正在操作的模式 如表2 2所列 除了用户 user usr 模式之外的其他6种处理器模式称之为特权 privileged 模式 它们分别是系统 system sys 模式和异常模式 其中 管理 supervisor svc 模式 中止 abort abt 模式 未定义 undefined und 模式 中断 interruptrequest irq 模式及快速中断 fastinterruptrequest irq 模式都是异常模式 只有在特权模式下才允许对当前程序状态寄存器 CPSR 的所有控制位直接进行读 写访问 而在非特权模式下只允许对CPSR的控制位进行间接访问 SWI方式 表2 2ARM处理器模式 2 4 1异常模式 1 管理模式 中止模式 未定义模式 中断模式和快速中断模式这5种处理器模式统称之为异常模式 通过程序修改CPSR可以进入异常 程序清单2 3就是从系统模式切换到管理模式的示例 除此之外 也可以在内核对异常或者中断响应时由硬件切换到异常模式 程序清单2 3从系统模式切换到管理模式注意 当一个异常发生时 处理器总是切换到ARM状态而非Thumb状态 2 4 1异常模式 2 每一种异常与处理器的一种模式相对应 一旦应用程序发生特定的异常中断时 处理器便进入相应的异常模式 处理器内核立即跳转到向量表中的某个入口地址 执行相应的处理程序 与此同时 在每一种异常模式中都有对应的寄存器 供相应的异常处理程序使用 从而可以保证处理器在进入异常模式时 用户模式下的寄存器不被破坏 究竟何时进入异常模式 具体规定如下 处理器复位之后进入管理模式 操作系统内核通常处于管理模式 当处理器访问存储器失败时 进入数据访问中止模式 当处理器遇到不支持的指令时 进入未定义模式 中断模式与快速中断模式分别对ARM处理器两种不同级别的中断作出响应 2 4 2系统模式 用户模式是程序正常运行的工作模式 系统模式与用户模式具有完全相同的寄存器 由于系统模式是一种特权模式 因此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 但系统模式主要供操作系统的任务使用 允许对CPSR进行读 写访问 通常操作系统的任务需要访问所有的系统资源 有了系统模式 操作系统就可以访问用户模式下相应的寄存器了 而不是使用异常模式下相应的寄存器 这样就可以保证当异常中断发生时任务的状态不被破坏 注意 用户模式与系统模式不能由异常进入 也就是说要想进入系统模式 必须通过修改CPSR才能实现 程序清单2 4就是从管理模式切换到系统模式的示例 程序清单2 4从管理模式切换到系统模式 2 5ARM内部寄存器 在ARM处理器内部共有37个用户可访问的32位寄存器 其中有6个32位宽的状态寄存器目前只使用了其中12位 37个寄存器分别为 31个通用32位寄存器 R0 R15 R13 svc R14 svc R13 abt R14 abt R13 und R14 und R13 irq R14 irq R8 fiq R9 fiq R10 fiq R11 fiq R12 fiq R13 fiq R14 fiq 6个状态寄存器 CPSR SRSR svc SPSR abt SPSR und SPSR irq SPSR fiq 注意 这些寄存器不能在同一时间同时被访问 究竟何时才能访问上述寄存器完全取决于处理器状态和处理器模式 2 5 1ARM状态下的寄存器 1 1 各种模式下实际访问的寄存器 寄存器文件包含了程序员实际能访问的所有寄存器 但是究竟哪些寄存器对程序员来说当前是可用的 则完全取决于当前的处理器模式 因此 在各种处理器模式下 程序员实际能访问的寄存器的权限是完全不一样的 在ARM状态中 可在任何时候同时访问R0 R15这16个通用寄存器和1个或2个状态寄存器 CPSR和SPSR 用户模式与系统模式具有完全相同的寄存器 其中R0 R7为所有模式所共享的通用寄存器 具有特殊用途的寄存器R13 堆栈指针SP R14 链接寄存器LR R15 程序计数器PC 尽管也可以作为通用寄存器来使用 但由于程序编译器通常认为R13始终指向一个有效的堆栈结构 所以一定要注意将R13当作通用寄存器来使用是非常危险的 在特权模式中 可以访问与 2 5 1ARM状态下的寄存器 2 模式相关的寄存器组 如表2 3所列为每种模式所能访问的寄存器 表2 3ARM状态各种模式下的寄存器 2 5 1ARM状态下的寄存器 3 注意 括号内为ATPCS中寄存器的命名 可以使用Rn汇编伪指令将寄存器定义多个名字 其中 ADS1 2的汇编程序直接支持这些名称 但注意a1 a4 v1 v8必须用小写字母 2 5 1ARM状态下的寄存器 4 2 一般的通用寄存器 寄存器R0 R7为保存数据或地址值的通用寄存器 这是因为在任何处理器模式下 R0 R7中的每一个寄存器都是同一个32位物理寄存器 寄存器R0 R7是完全通用的寄存器 不会被体系结构作为特殊的用途 并且可用于任何使用通用寄存器的指令 寄存器R8 R14所对应的物理寄存器取决于当前的处理器模式 几乎所有允许使用通用寄存器的指令都允许使用寄存器R8 R14 寄存器R8 R12有2组不同的物理寄存器 如表2 4所列 其中 一组用于除FIQ模式之外的所有寄存器模式 R8 R12 另一组用于FIQ模式 R8 fiq R12 fiq 在进入FIQ模式后就不必为保护寄存器而浪费时间 程序可以直接使用R8 fiq R12 fiq来执行操作了 从而实现快速的中断处理 2 5 1ARM状态下的寄存器 5 寄存器R13和R14分别有6个不同的物理寄存器 其中的一个是用户模式和系统模式共用的 其余的5个分别对应于其他5种异常模式 表2 4分组寄存器 2 5 1ARM状态下的寄存器 6 3 堆栈指针R13 SP 严格来说 堆栈 实际上是指 堆 和栈 这是两个不同的概念 但是为了符合通常的表述习惯 在以后的内容中如果没有特别指出 堆栈一词仅表示 栈 的意思 堆栈是在内存中划分出的一段存储空间 这个存储空间就像是一个大的数据仓库 用于暂时保存一些数据 堆栈操作通常会发生在子程序调用 异常发生或是程序运行过程中寄存器数量不够时 在前两种情况下 通常是把子程序或者异常服务程序将要用到的寄存器内容保存到堆栈中 在子程序或者异常处理程序结束返回时再将保存在堆栈中的值重载到相应的寄存器中 这样便可确包原有的程序状态不会被破坏 还有一种情况是 如果程序运行过程中 局部变量的数量太多 以至于处理器内部的寄存器无法全部装下 2 5 1ARM状态下的寄存器 7 时 程序员或者编译器会使用堆栈来作为数据暂存空间 将暂时未用到的数据压栈处理 当需要用到时再取出来 通常称堆栈指针指向的存储单元为 栈顶 而堆栈区域中保存第一个堆栈数据的存储单元被称之为 栈底 如果把堆栈比作是一个水桶 那么桶底就相当于栈底 而桶中的水面就相当于栈顶 在ARM处理器只能感通常将寄存器R13作为堆栈指针 SP 用于保存堆栈的出入口处地址 ARM处理器一共有6个堆栈寄存器 其中用户模式和系统模式共用一个 每种异常模式都有专用的R13寄存器 它们通常指向各模式所对应的专用堆栈 也就是说ARM处理器允许用户程序有6个不同的堆栈空间 这些堆栈指针分别为R13 R13 svc R13 abt R13 und R13 irq R13 fiq 如表2 5所列 2 5 1ARM状态下的寄存器 8 表2 5堆栈指针ARM处理器的堆栈操作具有非常大的灵活性 根据堆栈指针的增减方向和指针指向的存储单元是否为空 共有4种堆栈方式 满递增 空递增 满递减和空递减 2 5 1ARM状态下的寄存器 9 4 链接寄存器R14 LR 寄存器R14也称为链接寄存器 LR 子程序的返回地址将自动地存入到R14中 每种异常模式都有专用的R14寄存器用于保存子程序返回地址 它们分别是R14 R14 svc R14 abt R14 und R14 irq R14 fiq 如表2 6所列 表2 6链接寄存器 2 5 1ARM状态下的寄存器 10 在结构上R14有2种特殊功能 当使用BL指令调用子程序时 返回地址将自动存入R14中 在子程序结束时 将R14复制到程序计数器PC中实现子程序的返回 通常有2种方式实现子程序的返回操作 执行下列任何一条指令 在子程序入口 使用STMFD指令将R14和其他寄存器的内容保存到堆栈SP中 2 5 1ARM状态下的寄存器 11 在子程序结束时 使用批量寄存器读取指令LDMFD 将返回地址从堆栈中复制到程序计数器PC中 即可实现子程序的返回 当发生异常中断时 应注意保证异常处理程序不会破坏LR 因为LR保存的是异常处理程序的返回地址 即将异常处理程序的返回地址保存到LR对应的异常模式寄存器中 异常处理程序完成后的返回是通过将LR的值写入PC 同时从SPSR寄存器中恢复CPSR来实现的 寄存器R14在其他任何时候可作为一个通用寄存器 2 5 1ARM状态下的寄存器 12 5 程序计数器R15 PC 寄存器R15保存程序计数器 PC 也就是说 R15总是指向正在 取指 的指令 读R15 由于ARM指令是字对齐的 PC值的结果bit 1 0 总为0 当使用STR或STM指令保存R15时 R15保存的可能是当前指令地址加8字节 后者是当前指令地址加12字节 将来还可能出现别的数据 偏移量究竟是8还是12 或是其他数值 取决于ARM的芯片设计 对于某个具体的芯片 它是个常量 由于上述原因 最好避免使用STR和STM指令来保存R15 否则会影响程序的可移植性 如果确实很难做到 那么应当在程序中使用一些合适的指令代码来确定当前使用的芯片所使用的便移量 例如 使用程序清单 2 5 1ARM状态下的寄存器 13 2 5所示的指令代码将这个偏移量存入R0中 程序清单2 5测试具体芯片关于存储PC时的偏移量 写R15 当执行一条写R15的指令时 写入R15的正常结果值被当成一个指令地址 程序从这个地址处继续执行 相当于执行一次无条件跳转 由于ARM指令是字对齐的 写入R15值的结果bit 1 0 必须为0b00 否则结果将不可预测 在Thumb指令集中 指令是半字对齐的 处理器将忽略bit0 即写入R15的地址值必须首先与 0 xFFFFFFFE 做 与 操作再写入R15当中 2 5 1ARM状态下的寄存器 14 6 CPSR与SPSR 所有模式全部共享一个程序状态寄存器CPSR ARM内核就是通过使用CPSR来监视和控制内部操作的 在异常模式中 允许访问用于保存CPSR当前值的备份程序状态寄存器SPSR 每种异常都有对应的SPSR 它们分别是SPSR svc SPSR abt SPSR und SPSR irq SPSR fiq 如表2 7所列 表2 7CPSR与SPSR状态寄存器 2 5 1ARM状态下的寄存器 15 注意 由于用户模式和系统模式不是异常中断 所以它们没有SPSR 因此用户模式和系统模式不要访问SPSR 否则将会产生不可预知的结果 除用户模式之外 每一种处理器模式都可以通过改写CPSR中的模式位来改变 除用户模式和系统模式共用一组分组寄存器之外 所有处理器模式都有一组自己的分组寄存器 如果改变处理器的模式 新模式的分组寄存器将取代原来模式的分组寄存器组 例如 当处理器处于中断模式时 执行的指令可访问的名字仍然是R13和R14寄存器 但实际上是访问分组寄存器R13 irq和R14 irq 而用户模式下的R13 usr和R14 usr不会受到任何影响 程序仍然可以正常访问R0 R12寄存器 2 5 1ARM状态下的寄存器 16 CPSR与SPSR相互之间的关系 当一个特定的异常中断发生时 将CPSR的当前值保存到相应异常模式下的SPSR 然后设置CPSR为相应的异常模式 从异常中断程序退出返回时 可通过保存在SPSR中的值来恢复CPSR 2 5 1ARM状态下的寄存器 17 注意1 当通过程序直接改写CPSR来切换模式时 CPSR不会被保存到SPSR 因此只有发生异常或者中断时 才需要将CPSR备份到SPSR 注意2 根据ATPCS规定 规定了子程序间调用的基本规则 子程序中的局部变量使用内部寄存器R4 R11来保存 Thumb状态为R4 R7 如果寄存器不够用则存放在内存中 因为这些寄存器都是32位的 所以程序处理32位长度的变量时效率最高 如果把局部变量定义为8位或者16位 它们也独占着一个32位寄存器 非但没有减少寄存器的使用量 还会导致编译器使用额外的指令来限定变量的内容 比如 使用 与 指令来屏蔽32位寄存器中的高位 因此 在定义局部变量时请尽量定义为32位长度的 比如用于循环计数的变量 2 5 2Thumb状态下的寄存器 1 1 各种模式下实际访问的寄存器 Thumb状态寄存器集是ARM状态集的子集 程序可直接访问 8个通用寄存器 R0 R7 程序计数器 PC 堆栈指针 SP 链接寄存器 LR 程序状态寄存器 CPSR 每个特权模式都有分组的SP和LR Thumb寄存器的详细情况见表2 8 2 5 2Thumb状态下的寄存器 2 表2 8Thumb状态各种模式下的寄存器注意 括号内为ATPCS中寄存器的命名 可以使用Rn汇编伪指令将寄存器定义多个名字 其中 ADS1 2的汇编程序直接支持这些名称 但注意a1 a4 v1 v8必须用小写字母 2 5 2Thumb状态下的寄存器 3 2 一般的通用寄存器 在汇编语言中寄存器R0 R7为保存数据或地址值的通用寄存器 对于任何处理器模式 它们中的每一个都对应于相同的32位物理寄存器 它们是完全通用的寄存器 不会被体系结构做为特殊的用途 并且可用于任何使用通用寄存器的指令 2 5 2Thumb状态下的寄存器 4 3 堆栈指针SP 堆栈指针SP对应ARM状态的寄存器R13 Thumb指令集带有传统的PUSH和POP指令用于堆栈操作处理 它们以 满递减堆栈 的方式来实现 详见2 5 1小节关于 堆栈指针R13 部分和第三章指令集部分内容 2 5 2Thumb状态下的寄存器 5 4 链接寄存器LR 链接寄存器LR对应ARM状态寄存器R14 在结构上有2种功能 详见2 5 1小节关于 链接寄存器R14 部分 2 5 2Thumb状态下的寄存器 6 5 ARM状态寄存器与Thumb状态寄存器之间的关系 ARM状态寄存器与Thumb状态寄存器有如下的关系 Thumb状态R0 R7与ARM状态R0 R7相同 Thumb状态CPSR 无SPSR 与ARM状态CPSR相同 由于Thumb指令集不包含MSR和MRS指令 如果用户需要修改CPSR的任何标志位 必须回到ARM模式 通过BX和BLX指令来改变指令集模式 而且当完成复位 Reset 或者进入到异常模式时 将会被自动切换到ARM状态 注意 所有的异常处理都是在ARM状态下执行的 在Thumb状态下 如果有任何中断或者异常标志出现 那么处理器就会自动切换到ARM状态去进行异常处理 当异常处理完毕返回时 处理器又会自动切换返回到Thumb状态 状态切换过程如图2 7所示 2 5 2Thumb状态下的寄存器 7 图2 7状态切换过程 Thumb状态SP映射到ARM状态R13 Thumb状态LR映射到ARM状态R14 Thumb状态PC映射到ARM状态R15 PC 2 5 2Thumb状态下的寄存器 8 这些关系入图2 8所示 图2 8Thumb寄存器在ARM状态寄存器上的映射注意 寄存器R0 R7为低端寄存器 寄存器R8 R12为高端寄存器 2 5 2Thumb状态下的寄存器 9 6 Thumb状态中访问高端寄存器 Thumb指令集并不能访问寄存器机构中的所有寄存器 但所有数据处理处理指令都可以访问R0 R7 然而 可以对R8 R12访问的指令只有以下几条 它们分别为MOV ADD CMP 可以使用MOV指令的特殊变量将一个值从低端寄存器 R0 R7 转移到高端寄存器 或者从高端寄存器转移到低端寄存器 CMP指令可用于比较高端寄存器和低端寄存器的值 ADD指令可用于将高端寄存器的值与低端寄存器的值相加 2 6当前程序状态寄存器 ARM内核包含1个CPSR和5个仅供异常处理模式使用的SPSR 由于所有模式全部共享一个程序状态寄存器CPSR 因此处理器所有的状态全部都保存在CPSR中 也就是说ARM内核是通过CPSR来监视和控制内部操作的 每种异常模式都有一个对应的程序状态保存寄存器SPSR 用于保存任务在异常发生之前的CPSR状态的当前值 CPSR和SPSR可以通过特殊指令进行访问 详细的信息将在第三章介绍 图2 9给出了CPSR的基本格式 CPSR具体含义如下 4个条件代码标志 负标志N 零标志Z 进位标志C和溢出标志V 2个中断禁止位 IRQ禁止与FIQ禁止 5个对当前处理器模式进行编码的位 M 4 0 1个用于指示当前执行指令状态的位 ARM指令还是Thumb指令 图2 9程序状态寄存器的格式注意 为了保持与将来的ARM处理器兼容 并且作为一种良好的习惯 在更改CPSR时 建议使用读 修改 写的方法 2 6 1条件代码标志 1 大多数数值处理指令可以选择是否修改条件代码标志 一般地 如果指令带S后缀 则指令会修改条件代码标志 但有一些指令总是改变条件代码标志 N Z C和V位都是条件代码标志 可以通过算术和逻辑操作来设置这些位 这些标志还可通过MSR和LDM指令进行设置 ARM处理器对这些位进行测试以决定是否执行一条指令 这样就可以不用程序跳转也能实现条件执行 各标志位的含义如下 负标志N 运算结果的第31位值 对于有符号二进制补码 结果为负数时 N 1 结果为正数或零时 N 0 零标志Z 指令结果为0时 Z 1 通常表示比较结果 相等 否则 Z 0 2 6 1条件代码标志 2 进位标志C 使用加法运算 包括CMN指令 b31位产生进位时 C 1 否则C 0 使用减法运算 包括CMP指令 b31位产生借位时 C 0 否则 C 1 对于结合移位操作的非加法 加法指令 C为b31位最后的移出值 其他指令C通常不变 溢出标志V 使用加法 减法运算 当发生有符号溢出时 V 1 否则V 0 其他指令V通常不变 在ARM状态中 所有指令都可按条件来执行 在Thumb状态中 只有分支指令可条件执行 2 6 2控制标志位 1 CPSR的最低8位为控制位 它们分别是 中断禁止位I和F 处理器状态位T 处理器模式位M0 M4 当发生异常时 控制位改变 当处理器在一个特权模式下操作时 可用软件操作这些位 1 中断禁止位 标志位I和F都是禁止标志位 用来使能或禁止ARM的2种外部中断源 以后可以看到 所有S3C2440的外设都会与这2条中断线线相连 针对这2位编程时应当格外小心 为了禁止任一个中断源 该位必须设置为1而不是想象中的0 具体设置如下 当控制位I置位时 IRQ中断被禁止 否则允许IRQ中断使能 当控制位F置位时 FIQ中断被禁止 否则允许FIQ中断使能 2 6 2控制标志位 2 注意 当I或者F控制位为0时 则允许IRQ或者FIQ中断 使能 即CPU内核可以响应中断了 那么到底需要满足什么条件 CPU才能响应外设中断 到底需要满足什么条件 CPU外设才能产生中断 这里的关键词是 响应中断 响应外设中断 与 产生中断 具体的内容可以参考中断相关章节 在后面的学习中将会了解到 以中断为主线贯穿整个CPU渗透到各个功能不见 起到了极其重要的纽带作用 由内核到外设以中断为主干线 外设为枝构成 中断关联多叉树 这是学习和设计ARM嵌入式应用系统的关键所在 希望能够引起大家的关注 剩下的问题比较简单 那就是如何使用外设 显而易见 只要抓住了中断和外设的使用 一切问题将迎刃而解 2 6 2控制标志位 3 2 控制位T 控制位T反映了正在操作的状态 当控制位T置位时 处理器正在Thumb状态下运行 当控制位T清零时 处理器正在ARM状态下运行 注意 绝对不要强制改变CPSR寄存器中的控制位T 如果这样做 处理器会进入一个无法预知的状态 2 6 2控制标志位 4 3 模式控制位 M4 M3 M2 M1和M0位 即M 4 0 都是模式控制位 这些位决定处理器的操作模式 见表2 9 不是所有模式位的组合都定义了有效的处理器模式 因此不要使用表中没有列出的组合 表2 9CPSR模式位值注意 如果将非法值写入M 4 0 中 处理器将进入一个无法恢复的模式 2 6 3保留位 CPSR中的保留位被保留 以便将来使用 当改变CPSR标志和控制位时 请确认没有改变这些保留位 另外 请确保程序不依赖于包含特定值的保留位 因为将来的处理器可能会将这些位设置为1或者0 2 7ARM体系的异常 中断及其向量表 只要正常的程序被暂时中止 处理器就进入异常模式 例如 在用户模式下执行程序时 外设向处理器内核发出中断请求 将导致内核从用户模式切换到异常中断模式 如果同时发生两个或更多异常 那么将按照固定的顺序来处理异常 详见2 7 3小节 2 7 1异常入口 出口汇总 如表2 10所列为异常退出以及退出异常处理程序所推荐使用的指令 表2 10异常入口 出口指令汇总注意 MOVSPC R14 svc 是指在管理模式下执行 MOVSPC R14 指令 同样类似的指令还有 MOVSPC R14 und SUBSPC R14 abt 4 等 2 7 2异常向量表 1 如表2 11所列为异常向量地址一览表 其中 I和F表示先前的值 每种处理器操作模式都有一个相关联的中断向量 当一个异常发生时 ARM将改变模式 而程序计数器PC将会被强行指向异常向量 异常向量表从地址0的复位向量开始 然后每4个字节就是一个异常向量 表2 11异常向量地址一览表 2 7 2异常向量表 2 在异常向量表中有一个保留的异常入口 其位于0 x00000014地址处 这个位置在早期的ARM结构中会被用到 而在ARM9中则是保留的 以确保软件能与不同的ARM结构兼容 注意 在发生异常后 为了让ARM内核可以转移到对应的中断服务程序上 必须在异常入口地址 0 x00 0 x1C 处放置一些跳转指令 这些指令组成的一段代码 称之为 异常向量表 2 7 3异常优先级 1 当多个异常同时发生时 一个固定的优先级系统决定它们被处理的顺序 见表2 12 表2 12异常优先级下面介绍有些异常不能同时发生 由于未定义指令与SWI优先级相同 所以未定义的指令和SWI不能同时发生 也就是说正在执行的指令不可能既是一条未定义的指令 又是一条SWI指令 2 7 3异常优先级 2 在一个数据中止处理程序中 由于没有禁止FIQ异常中断 所以可以发生FIQ异常 当FIQ使能 并且在发生FIQ的同时产生了一个数据中止时 ARM内核进入数据中止处理程序 然后立即转到FIQ向量 当FIQ服务完成之后 恢复执行数据中止处理程序 2 7 4异常中断的进入与退出 1 当多个异常同时发生时 一个固定的优先级系统决定它们被处理的顺序 见表2 12 1 进入异常 当一个异常导致模式切换时 内核自动地做如下处理 将当前PC保存到相应异常模式下的LR 异常处理程序完成后的返回可通过将LR的值减去偏移量以得到异常处理程序返回地址 然后写入PC 将CPSR的当前值保存到相应异常模式下的SPSR 异常处理程序完成后的返回可通过保存在SPSR中的值来恢复CPSR 设置CPSR为相应的异常模式 设置PC为相应异常处理程序的中断入口向量地址 跳转到相应的异常中断处理程序执行 ARM内核在中断异常时置位中断禁止控制位 这样可防止不受控制的异常嵌套 2 7 4异常中断的进入与退出 2 注意 异常总是在ARM状态中进行处理 当处理器处于Thumb状态时发生了异常 在异常向量地址装入PC时 会自动切换到ARM状态 2 7 4异常中断的进入与退出 3 2 退出异常 当异常处理程序结束时 异常处理程序必须执行如下操作 返回到发生异常中断的指令的下一条指令处执行 也就是说 将LR中的值减去偏移量后移入PC 偏移量根据异常的类型而有所不同 见表2 10 将SPSR的值复制回CPSR 在入口处置位的置位的中断禁止控制位清零 注意 恢复CPSR的动作会将控制位T F和I自动恢复为异常发生前的值 2 7 5复位异常 当nRESET信号被拉低时 一般外部复位引脚电平的变化和芯片其他复位源会改变这个内核信号 ARM处理器放弃正在执行的指令 当nRESET信号再次变为高电平时 ARM处理器执行以下操作 强制M 4 0 变为b100011 系统进入管理模式 将CPSR中的控制位I和F置位 IRQ和FIQ中断禁止 将CPSR中的控制位T清零 处理器处于ARM状态 强制PC从地址0 x00开始对下一条指令进行取指 返回到ARM状态并恢复执行 在系统复位后 进入管理模式对系统初始化 复位后 除PC和CPSR之外的所有寄存器的值都是随机的 2 7 6中断请求异常IRQ 1 只有当CPSR中相应的中断屏蔽被清除时 才可能发生中断请求 IRQ 异常 IRQ异常是一个由nIRQ输入端的低电平所产生的正常中断 当一个IRQ异常中断发生时 内核切换到中断模式 表明产生了中断 内核自动地做如下处理 将异常处理程序的返回地址保存到异常模式下的R14 R14 irq或者LR 中 如图2 11所示 由于ARM处理器的5级流水线结构 当异常发生时 程序计数器PC总是指向返回位置的下一条指令即第3条指令 也就是说异常处理程序的正确返回地址为PC 4 且在PC 8的地址处发生异常中断服务程序跳转 由此可见 R14 R14 irq或者LR 保存的是指向第3条指令的程序计数器PC 地址 即 中断返回地址 4 2 7 6中断请求异常IRQ 2 图2 11中断和返回 用户模式的CPSR被保存到新的IRQ中断异常模式SPSR irq中 2 7 6中断请求异常IRQ 3 修改CPSR 将I位置1 禁止新的IRQ中断产生 但是不限制FIQ中断的发生 F位保持原有状态 清零T标志位 CPU进入ARM状态 修改模式位 设置为IRQ模式 此时用户模式下的R13和R14将不可操作 而IRQ模式下的R13和R14变为可操作 即R13 irq保存IRQ中断模式的堆栈指针 R14 irq保存了 IRQ中断返回地址 4 设置IRQ模式下的PC为IRQ异常处理程序的中断入口向量地址 在IRQ模式下 该向量地址为0 x00000018 由用户模式进入IRQ异常模式的流程示例如图2 12所示 按照上述说明完成 步流程后 软件处理程序开始执行 并且调用适当的中断服务程序来为中断源服务 2 7 6中断请求异常IRQ 4 图2 12进入IRQ异常模式注意 用户模式下的R13 R13 usr 和R14 R14 usr 将被保护不会受到影响 如图2 13所示 一旦异常中断程序执行完毕返回用户模式时 可通过SPSR irq恢复原来的CPSR 回到原来被保护的用户寄存器R13和R14 并清除中断禁止控制位 2 7 6中断请求异常IRQ 5 图2 13退出IRQ异常模式由于流水线的特性 在IRQ中断处理程序的入口 R14指向的地址比返回地址多4个字节 IRQ处理程序使用减法指令将R14的值减去4存入PC中 并从中断返回 不管处于哪种处理器操作状态 ARM状态或者Thumb状态 2 7 6中断请求异常IRQ 6 注意 实际上在中断模式下执行的是 SUBSPC R14 4 指令 同时在SUB指令尾部有一个S 并且PC是目的寄存器 所以CPSR将自动从SPSR寄存器中恢复 如果用户需要嵌套IRQ中断 那么必须在中断服务程序中重新使能IRQ中断 并将R14压入堆栈R13之中以预先保留返回地址 通过异常IRQ中断向量 程序将跳到异常中断服务程序ISR 程序应当首先通过压入IRQ堆栈来预先保留ISR将会使用的R0 R12的值 这时就可以对异常进行处理了 2 7 7快速中断请求异常FIQ 1 有些嵌入式系统的应用对实时性要求比较高 需要足够快的中断响应速度 比如数据转移或通道处理 ARM在设计上充分地考虑了嵌入式系统的这一特点 在IRQ异常之外还设计了一种快速中断请求 FIQ 异常 并在硬件结构和资源分配上给予了足够的支持 只有当CPSR中相应的F位被清零时 才可能发生FIQ异常 在ARM状态中 快速中断模式有8个专用的寄存器 可用来满足寄存器保护的需要 这是上下文切换的最小开销 将ARM内核的nFIQ信号拉低可实现外部产生FIQ FIQ异常是优先级最高的中断 内核进入FIQ处理程序之后 FIQ IRQ同时禁止任何外部中断源再次发生中断 除非在软件中重新使能IRQ FIQ请求 2 7 7快速中断请求异常FIQ 2 在特权模式中 可通过置位CPSR中的F控制位来禁止FIQ异常 当F控制位被清零时 ARM在每条指令结束时检测FIQ同步器输出端的低电平 FIQ异常进入与退出的流程与IRQ类似 请参考2 7 6小节 注意 FIQ具有专有的8个寄存器 那么从其他模式切换到FIQ模式后 这8个寄存器就不需要压栈 提高了程序的处理速度 在中断入口地址的安排上 FIQ处于所有异常入口的最后 这种考虑是为了让用户可以从FIQ异常入口处 0 x001C 就开始安排服务程序 而不需要再次跳转 这些硬件设计上的考虑可以尽量提高FIQ中断响应的速度 另外 在安排FIQ中断源时 尽量不要把多个中断源分配给FIQ中断 因为这需要在程序中花时间来判断中断源 2 7 8未定义指令异常 未定义指令异常是内部异常中断 当ARM处理器遇到一条自己和系统内任何协处理器都无法执行的指令时 就会发生未定义指令异常 从而进入中断处理程序 同时软件可使用这一机制通过仿真未定义的协处理器来扩展ARM指令集 在仿真失败的指令后 不管处于哪种处理器操作状态 ARM状态或者Thumb状态 捕获处理器执行下面的指令 MOVS指令将R14的值写入PC CPSR将自动从SPSR寄存器中恢复并返回到未定义指令之后的指令 2 7 9中止异常 1 中止表示当前对存储器的访问不能被完成 这是由外部ABORT输入信号引起的异常中断 中止有2种类型 预取指中止 由程序存储器引起的中止异常 数据中止 由数据存储器一起的中止异常 1 预取指中止异常 当发生预取中止时 ARM内核将预取的指令标记为无效 但在指令到达流水线的执行阶段时才进入异常 如果指令在流水线中因为分支而没有被执行 中止将不会发生 在处理中止的原因之后 不管处于哪种处理器操作状态 ARM状态或者Thumb状态 处理程序都会执行下面的指令 2 7 9中止异常 2 SUBS指令将R14的值写入PC CPSR将自动从SPSR寄存器中恢复并重试被中止的指令 2 7 9中止异常 3 2 数据中止异常 数据中止异常表明数据存储器不能识别ARM处理器的读数据请求 说明此次ARM处理器的读数据操作无效 当发生数据中止异常时 异常会在 导致异常的指令 执行后的下一条指令发生 在这种情况下 理想的状况是进入数据中止异常的ISR 然后在内存中挑选出问题 再重新执行导致异常的指令 于是就会将PC返回2条指令 即被放弃的指令和导致异常的指令 也就是将R14的值减去8 并将结果存入PC 在修复产生中止的原因后 不管处于哪种处理器操作状态 ARM状态或者Thumb状态 处理程序都必须执行下面的返回指令 2 7 9中止异常 4 SUBS指令将R14的值写入PC CPSR将自动从SPSR寄存器中恢复并重试被中止的指令 Abort 中止 机制使得页面虚拟存储器机制得以实现 在采用虚拟存储器的系统中 处理器可以产生任意的地址 当某个地址的数据无效 MMU 存储器管理单元 将产生一个abort中止 这样abort的处理程序就必须找出异常中断的原因 使要求的数据可用 并重试被中止掉的指令 应用程序也就不需要了解实际可用存储空间的大小 也不需要了解异常中断对它的影响 2 7 9中止异常 5 注意 在没有使用MMU的时候 特别是初学者 经常会遇到中止异常 大多数时候是程序存在问题 一般是因为指针操作不当引起的 比如 通过一个没有赋初值的指针 被称为 野指针 来读 写数据 如果该指针指向的区域没有存储器可供访问 那么将引起中止异常 在调试阶段如果进入了中止异常模式 该如何找出问题所在呢 可以通过中止模式下的R14找到进入异常前的程序位置 原理见2 7 4小节中 进入异常 部分内容 如果意外地发生了未定义异常 可以采取类似的处理方法 2 7 10SWI软件中断异常 1 事实上 所有的任务都是在用户模式下运行的 因此任务只能读CPSR而不能写CPSR 任务切换到特权模式的唯一途径 就是使用一个SWI指令调用 SWI指令强迫处理器从用户模式切换到SVC管理模式 并且IRQ中断自动关闭 所以软件中断方式长被用于系统调用 只有处理器切换到系统模式时 中断才能继续使用 如图2 14所示是进入和退出临界取代码时的系统调用流程 其他系统调用的过程与此类似 只是调用的功能函数不同而已 SWI处理程序通过执行下面的指令返回 MOVS指令将R14的值写入PC CPSR将自动从SPSR寄存器中恢复并返回到SWI指令之后的指令 2 7 10SWI软件中断异常 2 图2 14软件中断使用方式 2 7 11中断延迟 1 中断是为了从系统中得到更好响应的一个工具 人们常常会问 系统对每个中断的响应速度到底有多快 这个问题取决于4个因素 中断被禁止的最长时间 任一个优先级更高的中断的中断程序执行时间 CPU停止当前任务 保存必要的信息以及执行中断程