ARM体系结构详解第2章精

1、ARM嵌入式系统第2章ARM体系结构占ARM微处理器的编程模型 ARM微处理器的工作状态 ARM体系结构的存储器格式 ARM体系结构的指令长度及数据宽度 ARM微处理器的处理器模式 ARM体系结构的寄存器组织 ARM後处理器的异常状态字、半字、字节字（Word）在ARM体系结构中，字的长度为32位半字（Half-Word）在ARM体系结构中，半字的长度为16位字节（Byte）在ARM体系结构中，字节的长度为3位。字对齐：四字节对齐 半字对齐：两字节对齐ARM微处理器的工作状态（1）两种状态： ARM状态：处理器执行32位的字对齐的ARM指令 Thumb状态：处理器执行16位的、半字对齐的Thu

2、mb指令处理器工作状态的转变并不影响处理器的工作模式和相应 寄存器中的内容。ARM微处理器的工作状态(2)状态切换：BX () 48令的条件码。忽略时无条件执行.VRm专存器中为凝特的目标地址，存器的bitO】为0时, 目标地址处的指令为ARM指令；当存耳的bit0】为1时，0标 地址处的指令为Thumb指4%伪代码：if ConditlonPassed(cond) thenT Flag=：RmI0PCMRm AND OxFFFFFFFEARM体系结构的存储器格式(1)ARM微处理耳在复位或上电时处于ARM状*,发生并常时处于ARM状态AKM体系结构所支持的*大寻址空间为4GB (2字节) 大

3、端格式(Big Endian)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。 小端格式(Little Endian)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。ARM体系结构的存储器格式（2）字曲址840字地址 A I: ft 89AB45670123(0H)=0123H (4H)=4567H (8H)=89ABHBig Endian(0H)=3210H(4H) =7654H(8H) =BA98HLittle EndianARM体系结构的存储器格式（3）rOs 0x11223344 11 22 33 44ARM体系结构的指令长度及数据宽度指令长度：32位

4、（在ARM状态下）16位（在Thumb状态下） 数据宽度：字节（8位）半字（16位）字（32位）三种数据宽度对存储器及外部设备的访问。韓応礬卅宇龍囂戋熬貂呼）、半ZARM微处理器的处理器模式（1）只 lifPC)ROR1KZ尽3FURSMR7KdFRIORUR12、Rn初、Rl 4fR1GPOIRQ忌2m而RmRI1肌1 m RgjtqRlfiiPClRoRTK290R5MP7KBR%AidRUR12 R* und、Rt4 undRUrc)SyttemAKMttATI CPSft r I CPSft4 却LCPCRSRgI CPSR I CPSRI CPSWARM状态下的寄存器组织（3） 来分

5、组寄存器（Unbanked Regishor） ROR7 同一个寄存器名，在ARM微处理器内部只有一个独立的物 理寄存器与之对应。在所有的运行模式下，未分俎寄存器都指向同一个物理寄 存S,他们未被系统用作特殊的用途。在中斷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奇存器，可能会造成子存器 中数据的破坏，这一点在进行程序设计时应引起注*。ARM状态下的寄存器组织(4)ARM状态下的寄存器组织(5) 分纽寺存莠(Banked Register) R8R14个夸存X老，在ARM微处理內部存在多个粒立的物理芳存器 对于分俎寺存器，他们每一次所访问的物理与处理当甫的运 行模

6、式有关。R8-R12：对应两个不同的物理奇存耳 fiq 模式:R8_f iqR12_f iqR8_usr R12_usr非fiq模式：R13. R14：对直6个不同的物理寄存為用户模式与廉统模式共用一个另外5个场理寺存对应于其他5种不同的适行模式Rn_mode: usr. fiq. irq、svc、abt. und寄存SR13 寄存器R13在ARM指令中常用作堆桟指针。在用户应用程序的初始化部分，一般祁要初始化每种模式 下的R13(R13 SV6 R13 irq. R13 fiq. R13 abt和R13_und ),使其指向该运行模式的桟空间。当程序的运行进入异常模式时，可以将需要保护的寄存

7、器 放入R13所指向的堆栈，而当程序从异常模式返回时，1 从对应的堆栈中恢复，采用这种方式可以保证异常发生后 釋序的正常执行。ARM状态下的寄存器组织（6）奇存器R14子程序连接寄存器（Subroutine Link Register）或 链接子存器LRo子程序调用：当执行BL（BLX）子程序调用指令时，R14中得到R15 （程 序计数SPC）的备份。中斷或异常：Exampie: Call SubroutineKcthambiviir User Mode对应的分组寄存器R14_svc R14_irqs R14_fiq、 R14 abt和R14 und可来保存R1詡返回值。一Example: U

8、ser to FIQ modeARM状态下的寄存器组织奇存R15 程序计fcPC, 奇存R15用作程序计敷莠(PC).虚ARM状态下，位1:0为0, U 31:2用于保存PC;在Thujnb状态下，住【0】为0,位【31:1用于保 存PC。由于ARM体系结构采用了多水ft技术，对于ARM指令集而右，PC总 是柑向当营柑令的下两条1令的地址，即PC的值为当甫令的地址值 刼8个字节ARM状态下的寄存器组织(8)译码指令译码执行从存俎中读寺存器，移位和ALU操作.将器写回到44器组指令流水銭坊能段划分指令1取指译码执行取指I译码I亦订I取柑丨译码I执行ARM#周期柑令3级流水ft操作ARM状态下的寄

9、存器组织(9)当苗程序状态奇存器CPSRCPSR(Current Program Status Register)CFSR可在任何运行模式下被访问，它包括条件标志位、中斷禁止位、当甫处 理式标志位，以及其他一些相关的技制和状*位。备份的程序状态夸存USPSR (Saved Program Status Register), 当幷常发生时，SPSR用于保存CPSR的当前值，从异常退出时則可由SPSR来 恢 XCPSRo用户模式和系蜿模式不属于异常模式，他们没有SPSR,当在这两种模式下访 问SPSR,结果是来知的。ARM状态下的寄存器组织（10）ARrtMfi31227262S2487651：屮

10、丨|；片V4 M3 M2 U1 I W0OversowMCd9M&CmyBor*Mr.E.MncfZroThansueMIRQgbteCPSR1 ARM状态下的寄存器组织（11） 条侔码标志 （Condition Code Flags）N、Z C、V:条件码标志位。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。在ARM状态下，绝大多数的指令都是有条件执行的。在Thumb状态下，仅有分支指令是有条件执行的。标志位含义NN=1表示运算的#4果为ft ft； N=0表示运算的炖果为正ft咸$：ZZ-1表示运鼻的结果为窄；zo表示运算的估果为非字C加法达算（包括比校指令CMN）:当

11、运算结皋产生了进位时（无符号ft 溢出）,Cl,否则00.减法逵算（包括比絞坍令CMP）：当运算时产生了借位（无符号數溢岀 ）,C-0,杏则Cl对于包舍移位操作的非加/减运jMn令，C为秒出值的ft后一位 对于耳他的非加/减运算指令 C的值通僧不改变V对于加/减法运当操作ft和运果为二进制的补碍展示的带苻 号敛时V：L表示符号位溢出对于其他妁非加/减适算指令，C的值通舎不改变Q在ARM v5及以上版的E系列处理中，指示增僕的DSP达算 梧令是杏发生了溢出庄其他厳本的处理屮，Q标志位无定义.ARM状态下的寄存器组织（12）ARM状态下的寄存器组织（13）控制位CPSR的低8位（包括T、F、T和M

12、4： 0）称为控制 位，当发生异常时这些伎可以被改变。如果处理S 处于特权模式，这些位也可以由程序修改。中斷禁止住工、F： 1=1禁止工RQ中斷F=1 禁jEFIQ中斷T标志住：T=1Thumb 状态T=0ARM状态占ARM状态下的寄存器组织(14)M4： 0运行模式位：这些位决定了处理器的运行模式。M4: 0)处理snxb访何的奇OblOOOO用户喉KPCCPSRR0-R14OblOOOlFIQ模式PCCPSRSPSR.fiq. R14. fiqR8.fiq R7R0OblOOlOIRQPCCPSRSPSR_irq. R14丄Eq.R13_irq R12 *R0OblOOll骨理熨丸PCCP

13、SRSPSR SVC. R143VC,R13-SVC,R12 RO.OblOlIl中止樂KPCCPSRSPSR_abt. R14abtR13_abt. R12RO.OblLOIlPCCPSRSPSR_und. R14und.R13 und, R12 R0OblLlllPCCPSBR14 RO百ARM状态下的寄存器组织(15)保留位CPSR中的其余位为保留位，当改变CPSR中 的条件码标志位或者控制位时，保留位不要 被改变，在程序中也不要使用保留位来存储 数据。保留位将用于ARM版本的扩展。ARM微处理器的异常状态（2）ARM微处理器的异常状态（1）常（Exception）当正常的程序执行流程发

14、生改变时，称之为异常。异常类型运行模式复位SVC未定义指令und软件中斷SVC指令预取中止abt数据中止abtIRQ （外部中斷请求）irqFIQ （快速中斷请求）fiq肖处理君转攵纯电+有破叶，Mt住片帝，凰序ti4F IT处理ft序处状仟专AM（处理戏协处理遇不能处理的今时，戶生我宅义拎令 冷倉址行软侔仿JU软件屮斷该并翕曲伙仃SWI栢令戶it. ”T用户權K下的样序M同希权* 作令1使用并*机制实现杀觐力能诉用4令取中止若处rf.Rfrft令的地址不存A,戎*地址不处许当材柑令访问. 存会向处球岌出中止但豈取的粉令铁执行时.才 会戶土精令肮中止异常黄梢申止若俺理访柿金妗地址不AA,憑址地

15、址不丸许当前描令 访时戶生救塀屮止并*IRC （外押中斷请朮）当处理钓片部申序请求引胆有it JLCPSR中的I位为0时，戶i IRQ鼻常爪規的外址r遏过请求申虧眼务-FIO （快it中斷请求）当处理的快遑申斷请求引*打*L XCPSR中的F住为0,戶生 FIQ并常.ARM微处理器的异常状态.-SF异常的响应Example: User to FIQ modeARM微处理器对异常的响应过程用伪码可以描述为：R14_ = Return LinkSPSJ = CPSRCP SR 4 : 0 = Exception Mode NumberCP SR5 = 0/* 在 ARM 状态执行 */If = R

16、eset or FIQ then CPSR6 = 1/禁止快途中斷/否则CPSR 6不变*/CPSR7 = 1PC = Exception Vector AddressM4： 01处1访间約育存obioooo同户樓丸PC, CPSR.R0-R14OblOOOlFIQ心PC, CP SR, SPSR fiq R14 fiq-R8 fiq, R7 ROOblOOlOIRQ 模 KPC, CPSR, SPSR-irq. R14-irqR13-irqR12 ROOblOOllPC, CPSR. SPSR_svc, R14 5VC,R13 svc, ,R12ftO,OblOlll中止筑犬PC, CPSR

17、, SPSR.abt, R14_abt.R13.abt, R12-R0,*ObllOll来尢义根KPC, CPSR. SPSR.und. R14.und,R13.und, Ri2R0,.-Oblllll2樂人PC, CPSR, R14ROARM微处理器的异常状态（4）JUi尢成下列操作：R14_svc UNPREDICTABLE valueSPSR_svc = UNPREDICTABLE valueCPSR4:0 OblOOll/*进入管理模A?/CPSR50/*ARM欢;6执行/CPSR611禁止快逵中ftp/CPSR7)1/禁止正常中斷/If high vectors configured

18、 thenPOOxFFFFOOOOelsePOOxOOOOOOOOJUi不需矣丄ARM微处理器的异常状态（5）来定义柑令井常出观时，执行下列操作：R14 und address of next inatructlon after the undefxned instruction SPSR_und CPSRCPSrT4;O ObllOllCFSRS 0/进入来定义MX.*/ /在ABM状态执行/ /*CPSR(6)不变/ CPSR7) - 1/*禁止正僧中斷/If high vectors configured thenPC=0xFFFF0004elseP00x00000004it回：MOVS

19、 PC,LR设Jt bit, PC微为B的子存虚转权不仅仅OPC,荷A拎USPSR列 CPSR.ARM微处理器的异常状态（6）管理异常畀常出现时，执行下列*作：R14_3VC = address of next instruction after the SWI instruction SPSR_svc CPSRCFSH4:0 OblOOll CPSR5) 0进入管理模扎/ /*点ARM状态执行*/ /*CPSR(6)不变 */ CPSR7 1/禁止正常中斷/If high vectors configured thenPOOxFFFFOOOeelsepooxoooooooei&W：MOVS

20、PC, LR丄ARM微处理器的异常状态(7 )預取中止异常出现时，执行下列操作：R14 abt = address of the aborted Instruction + 4 SPSR_abt CPSR/进入指令预取中止模犬/ 在ARM次态执行*/ /*CPSR6不变/*禁止正常中断/CPSrT4：0 - OblOlllCPSR5 0CPSR(7 1If high vectors configured thenPOOxFFFFOOOCelseP OOxOOOOOOOC返回：SUBS PC, LR,#4X ARM微处理器的异常状态(8)預取中止异常出现时，执行下列操作：R14_abt = ad

21、dress of the aborted Instruction + 8进入中止模式*/ 在ARM次态执行*/ /*CPSR6不变/ /*禁止正常中断/SPSR_abt CPSRCPSrT4：01 - OblOlllCPSR5 0CPSR(7 1If high vectors configured thenPO=0xFFFF0010elseP 00x00000010返回：SUBS PC, LR,#8S3C4510B中断控制器32-Brt Sytem Bus内部中斷源中斷控 （特需功能存）中斷控（特需功能存）X arm微处理器的异常状态（9）40处上的入钏lr由TRQ齐的优丸UrtTTQ升豊It

22、入 r工Q处现廿.lb#IRQ*ir.箸CPSR釣I位为 1. 1H桂止IRQ异鸽井I位为0. HARMA-tt 4-Mn3tJ6IRQ*入.iRQXib若CPSR的F位为着Fji为0, ARMA指令执行完之后检交FIQ输 入FIQ异IT出现时，执行下列*作：R14_iq address of next xnatruotion to be executed + 4 SPSfiq CPSRCPSrT4:0 OblOOOl/进入F工Q模式/CPSR 5) = 0/隹 ARM 状直执行/CPSRtei 1/*止快it中/CPSR7 1/榦止正常中斷/If high vectors configure

23、d thenPOOxFFFFOOlCelsePOOxOOOOOOlC返回：SUBS PC, LR,*4ARM彳敖处理器的异常状态(11)从异常返回异常处理完毕之后，ARM微处理器会执行以下几步操作从异常返回:1、将连接寄存器LR的值减去相应的偏移量后送到PC中2、将SPSR复制回CPSR中3、若在进入异常处理时设置了中断禁止位，要在此清除X ARM微处理器的异常状态（12）返回盘令BLMOV PC, LR;R14SWIMOVS PC, LR;R14 svcUDEFMOVS PC, LR;R14 undFIQSUBS PC, LR, #4;R14 fiqIRQSUBS PC, LR, 4;R14 irqP ABTSUBS PC, LR,堂4;R14 abtDABTSUBS PC, LR, it8;R14 abtRESETNA丄ARM微处理器的异常状态（13）向量（Exception Vectors）并借出现后强创从并常矣时应的a定存住地址开执柠序i4*B定 约地址称为异常向业地U并