嵌入式系统2013研 嵌入式系统概述

嵌入式系统2013研嵌入式系统概述第1页/共140页几个问题什么是嵌入式系统？我们这门课主要讲什么？这门课是如何安排的？ARM相关的介绍第2页/共140页本讲主要内容课程设置相关问题课程主要内容课程设置安排实验室环境嵌入式系统的基本概念嵌入式系统的定义嵌入式系统的构成要素微处理器操作系统嵌入式系统的基本开发流程开发流程调试方法ARM介绍：体系结构编程模型ARM汇编第3页/共140页实验室条件深圳亿道公司EELiod270教学开发平台IntelXscale270微处理器，520MHz完善的硬件平台支持WinCE和Linux操作系统友善之臂公司Tiny210教学开发平台三星S5PV210(基于Cortex-A8内核)@1GHz微处理器Linux&Android操作系统第4页/共140页课程主要内容嵌入式系统与ARM介绍ARM体系结构、编程模型指令系统简介嵌入式Linux开发环境与编程嵌入式Linux的开发环境及工具介绍嵌入式Linux程序开发Android系统开发初步Android开发环境搭建Android系统应用程序开发初步Android系统用户界面技术第5页/共140页课程特点理论结合实践，通过实验掌握知识、锻炼能力课程涉及面广，要求软硬件综合能力高硬件（嵌入式开发板、各种硬件接口）ARM汇编语言编程C语言编程Linux操作系统Java语言编程Android开发课程难学，要求花费时间多第6页/共140页课程安排（一）2－17周（32学时）2-4周理论课（6学时）5-12周嵌入式Linux实验（16学时）嵌入式Linux基础实验（系统构建、Makefile实验、Bootloader实验、内核编译实验）嵌入式Linux驱动程序开发实验（驱动程序结构、IO口驱动实验）GUI应用程序实验，QT移植实验自选实验13-17周Android实验第7页/共140页评分标准理论课：10％实验：90％实验表现30%实验报告40%出勤20%第8页/共140页内部网络资源ftp服务器：4，port:21,user:emb，pwd:embeddedEELiod硬件平台资料ADS开发系统资料嵌入式Linux

BSP软件包实验指导书其他安装软件（虚拟机，Redhat9等）第9页/共140页参考书及资料（一）ARM嵌入式处理器结构与应用基础，北航出版社，马忠梅等，2002嵌入式系统—IntelStrongARM结构与开发，北航出版社，陈章龙等，2002ARM应用系统开发详解，清华大学出版社，李驹光等，2003RedhatLinux9从入门与精通，MichaelJang著，邱仲潘等译，电子工业出版社Linux编程宝典，JohnGoerzen著，魏永明等译，电子工业出版社第10页/共140页参考书及资料（二）AlessandroRubini，魏永明等译，linux设备驱动程序，第二版，中国电力出版社，2002中国Linux论坛嵌入式开发网第11页/共140页第一部分嵌入式系统概述第12页/共140页应用于航空航天军事第13页/共140页应用于消费电子产品第14页/共140页嵌入式Internet应用第15页/共140页嵌入式系统的定义（一）IEEE对嵌入式系统的定义：

Embeddedsystemisakindofdeviceusedtocontrol,monitororassisttheoperationofequipment,machineryorplant.

“控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置”第16页/共140页嵌入式系统的定义（二）一般的定义： 嵌入式系统是以应用为中心和以计算机技术为基础的，并且软硬件是可裁减的，能满足应用系统对功能、可靠性、实时性、成本、体积、功耗等指标的严格要求的专用计算机系统。简单说，嵌入式系统就是应用软件与系统硬件的一体化。第17页/共140页嵌入式系统的特点系统内核小：一般应用于小型电子装置。专用性强：软硬件结合紧密，针对硬件进行系统的移植。系统精简：系统软件和应用软件紧密融合，部分无明显区别。实时多任务的操作系统：合理调度多任务，RTOS开发平台。专门的开发工具和环境。第18页/共140页嵌入式系统的基本构成存储器及外围电路嵌入式处理器嵌入式操作系统应用软件嵌入式硬件系统嵌入式处理器各种类型存储器模拟电路及电源接口控制器及接插件嵌入式软件系统板级支持包（BSP）操作系统（OS/RTOS）设备驱动（DeviceDriver）协议栈（ProtocolStack）应用程序（Application）第19页/共140页嵌入式处理器的分类嵌入式微处理器（MPU)ARMDragonballMc9328Mx1Xscale270嵌入式微控制器(MCU)8051、P51XA、MC68HC05/11/12/16、68300等嵌入式DSP处理器嵌入式片上系统（SOC-SystemOnChip）嵌入式可编程片上系统（EPSOC）第20页/共140页ARM嵌入式微处理器ARM公司成立于1990年，Saxby和12名工程师ARM=AdvancedRISCMachineRISC（精简指令集）

的典型代表32位处理器技术嵌入式领域的主力军ARM处理器有三大特点体积小、功耗低、成本低，性能高ARM/Thumb32/16位双指令系统全球众多的合作伙伴第21页/共140页CISC与RISCARM——AdvancedRISCMachineCISC——ComplexInstructionSetComputer,复杂指令集Intel,IA(IntelArchitecture)32架构AMDRISC——ReducedInstructionSetComputer，精简指令集SPARC,Sun与TI开发PA-RISC,HP开发Alpha,Compaq开发PowerPC，IBM与Motorola开发MIPSARM二者在软件和硬件上都不兼容第22页/共140页RISC体系结构的特点采用固定长度的指令格式，指令规整、简单（ARM指令为32位）使用单周期指令，便于流水线操作大量使用寄存器（ARM共有37个寄存器），数据处理指令只对寄存器操作，访问存储器只使用Load/Store指令。第23页/共140页ARMARM的产品ARM处理器内核，以知识产权（IP）形式提供给IC生产厂家硬核：有和特定工艺相连系的物理版图。软核：用硬件描述语言或C语言写成，用于功能仿真ARM开发工具、SOC开发工具、评估板等ARM公司不生产芯片第24页/共140页ARM赢利模式：专利授权费+版费目前在通信领域处于统治地位，100%的CDMA手机和85%以上的WCDMA手机IntelInside&InsideIntelARM芯片年出货量超过几十亿片ARM营收中，手机芯片占2/3第25页/共140页市场情况1998年，ARM拥有30项专利技术，芯片出货量为5100万块；而到了2010年，ARM公司拥有的专利技术就猛增至250项，芯片出货量更是达到61亿块。2011年底，全球智能手机销量达到4.13亿部，超过个人电脑销量。在手机领域，ARM市场占有率超过90%在PC及平板电脑领域，2013年ARM处理器估计占有10%的份额第26页/共140页ARM嵌入式微处理器第27页/共140页嵌入式操作系统简介使用操作系统的好处和坏处底层硬件抽象化，多任务，在比较复杂的应用情况下优势明显占用系统资源，简单应用情况下增加开发难度嵌入式系统有多种操作系统可供选择VxWorks,PalmOS,Nucleus,pSOS,OS-9,QNX,uCOS-II,SymbianWindowsCE,NT，XP,WindowMobileLinux,uCLinuxAndroid、iOS第28页/共140页嵌入式操作系统特点除具有普通操作系统的功能如任务调度、中断处理等外，嵌入式操作系统还有以下特点：编码体积小，适合有限的存储空间面向应用，可裁减和移植部分要求实时性强，又称实时多任务操作系统（RTOS）可靠性高以及较强的网络功能第29页/共140页嵌入式操作系统结构第30页/共140页嵌入式操作系统通常按体系的分类Windows兼容系列WindowsCE/NT/XPLinux类嵌入式Linux,uCLinux,RTLinuxAndroid及其派生的iPhone、oPhone、LePhone等通信领域嵌入式操作系统VxWorks,Nucleus,VRTX,QNS,pSOS其他如Symbian、BlackBerry等第31页/共140页嵌入式Linux特点免费和代码公开支持多种硬件平台可裁剪使用成本低强大的网络功能支持GUI开发丰富的开发技术资源第32页/共140页Androidandroid一词的本义指“机器人”，同时也是Google于2007年11月5日宣布的基于Linux平台的开源手机操作系统的名称，该平台由操作系统、中间件、用户界面和应用软件组成，号称是首个为移动终端打造的真正开放和完整的移动软件。2008年9月22日，美国运营商T-MobileUSA在纽约正式发布第一款Google手机——T-MobileG1。该款手机为台湾宏达电代工制造，是世界上第一部使用Android操作系统的手机，支持WCDMA/HSPA网络，理论下载速率7.2Mbps，并支持Wi-Fi。第33页/共140页Android历史背景GPhone幕后教父安迪·洛宾2005年8月，洛宾将Android出售给Google第34页/共140页Android平台架构第35页/共140页Android平台架构第36页/共140页Android系统云应用随着3G逐渐普及，Android系统云应用日益广泛物联网及智能生活

GoogleAndroidC2DM(CloudtoDeviceMessaging)实现云服务与手机间的互动。手机支付、智能家居、医疗、卫生、运输等领域已实现应用。基于位置的服务（LBS）

用无线网或GPS实现定位，导航，查询等；手持端仅需显示，复杂和巨大的数据在云端计算移动数据

数据存储在云端，手持端仅显示。数据同步、云硬盘等第37页/共140页嵌入式系统的应用开发本实验室条件支持：无OSADS集成开发环境有OS嵌入式LinuxWindowsCEAndroid第38页/共140页嵌入式产品开发过程第39页/共140页集成开发环境ARMADS（ARMDeveloperSuits）它是ARM公司的集成开发环境，包括命令行开发工具、图形开发工具、实用工具和支持软件4部分，可以进行编辑、编译及调试C、C++及汇编程序。MetrowerksCodeWarriorforARMADSv1.2ARM汇编及C程序的编辑、编译AXD调试第40页/共140页嵌入式应用开发的调试由于嵌入式系统的可用资源有限，嵌入式开发和调试工作通常要通过高性能的宿主机完成。 嵌入式应用软件通过宿主机上的交叉编译器，完成交叉编译和连接后下载到目标机。宿主机：进行嵌入式软件开发的主机目标机：将要开发的目标板第41页/共140页嵌入式开发的调试方法大致有以下几种调试方法：模拟调试方式ROMMonitor方式（或Angel方式）ICE仿真JTAG调试与仿真第42页/共140页模拟开发调试方式模拟开发调试不需开发板硬件，一台PC即可纯软件模拟嵌入式处理器的功能和指令。如ARM公司的ARMulator模拟器。它虽然简单可行，但是缺乏在线调试和实时仿真功能。第43页/共140页ROMMonitor调试方式（一）ROMMonitor方式（或Angel方式）ROMMonitor（或Angel）是运行在目标机的Flash或ROM的一段程序，它主要负责监控目标机上被调试程序的运行情况。通过和宿主机的配合，完成嵌入式系统的调试。它是目前低廉有效的一种调试方式。之前课程使用Metrowerks公司的CodeWarrior进行开发调试时要用到的Metro-TRK就属于这类软件。第44页/共140页ROMMonitor调试方式（二）第45页/共140页ICE在线仿真模式在线仿真(InCircuitEmulator)传统硬件级仿真调试模式取下目标板MPU；在线仿真器可以完全仿真MPU的行为；通过卡座等连接到目标板。它支持单步执行、断点、反汇编、源程序级调试。优点：功能非常强大，软硬件均可做到完全实时在线调试缺点：适合于简单的MPU一般滞后MPU几个月价格昂贵宿主机目标板仿真器硬件连接示意图第46页/共140页JTAG仿真调试方式（一）JTAG（JointTestActionGroup）联合测试行动小组，是IEEE的一个标准JTAG初始主要用于芯片内部测试，可对具有JTAG接口的芯片的硬件电路进行边界扫描和故障检测后用于调试：在芯片内部定义TAP（TestAccessPort)，可以访问寄存器和挂在总线上的设备第47页/共140页JTAG仿真调试方式（二）JTAG调试器硬件简单，只进行并口/usb和JTAG接口的电平转换主要工作由主机软件完成，如JTAG/usb协议转换等速度慢，一般10K/s级别JTAG仿真器硬件复杂，除完成JTAG/usb协议转换，可能有MPU进行控制提供并口/USB接口等，速度快价格贵第48页/共140页JTAG仿真调试方式（三）JTAG仿真器

ARM处理器为了方便调试，内含EmbededICE宏单元，并留有JTAG调试接口，支持在线仿真。它无需目标存储器，不占用目标系统的端口。使用集成开发环境配合JTAG仿真器是目前最常用的一种调试方式。宿主机目标板仿真器硬件连接示意图第49页/共140页JTAG仿真调试方式（四）第50页/共140页ADS开发环境ARMADS（ARMDeveloperSuits）它是ARM公司的集成开发环境，包括命令行开发工具、图形开发工具、实用工具和支持软件4部分，可以进行编辑、编译及调试C、C++及汇编程序。Multi2000Multi2000是GreenHills软件公司（）开发的集成开发环境。它支持C/C++/Ada95/Fortran编程语言，可运行与Windows和UNIX平台。第51页/共140页嵌入式Linux开发调试嵌入式Linux工具链交叉编译器GCCarm-linux-gcc项目管理工具MAKE调试工具GDBbreak 设置断点Run 执行程序Step 单步跟踪进入Next 单步不进入函数Print,Display 显示变量值Quit第52页/共140页Android开发环境Android开发环境应用层Eclipse+SDKJAVA本地代码开发环境NDK第53页/共140页第二部分ARM体系结构、编程模型、汇编语言介绍第54页/共140页ARM体系结构的发展第55页/共140页ARM体系结构的发展2012年11月，ARM公司宣布推出ARMv8架构的cortex-A50系列处理器。第56页/共140页ARM版本概览第57页/共140页ARM版本性能结构概览第58页/共140页ARM处理器命名规则ARM7TDMI核命名规则

7 －体系结构T －Thumb代码支持(16bit指令)D －Debug硬件调试模块支持M －加强的乘法支持I －EmbeddedICELogicS－可综合的软核E－DSPJ－Jazeller，允许直接执行Java字节码第59页/共140页ARM处理器系列第60页/共140页ARM7系列处理器特点（一）ARM7系列：如ARM7TDMI、ARM720T等采用ARMV4T结构常见芯片主频为20～133MHzARM720T以下没有MMU适合对价位和功耗要求较高的产品。3级流水线和冯.诺依曼结构支持WindowCE、LinuxPalmOS等第61页/共140页ARM7系列处理器特点（二）指令和数据Cache(ARM710,720,740)平均功耗0.6mW/MHz每条指令平均需要1.9时钟周期处理速度0.9MIPS/MHz小型、快速、低能耗、集成式RISC内核广泛应用于手持式计算机、数据通信和消费类多媒体第62页/共140页ARM9系列处理器特点（一）ARM9系列:MX1采用ARM920T核采用ARMV4T结构常见的芯片主频为100～233MHz5级流水线和哈佛结构支持32位的高速AMBA总线接口MMU支持实时操作系统第63页/共140页ARM9系列处理器特点（二）指令数据分离的Cache（ARM920,940,9E）平均功耗0.7mW/MHz132MIPS（120MHz时钟，3.3V供电）或220MIPS（200MHz时钟）配写缓冲低价、低能耗、高性能应用于高级引擎管理、保安系统、机顶盒、便携计算机和高档打印机第64页/共140页ARM9E处理器特点（略）ARM9E系列采用ARMV5TE结构5级流水线和哈佛结构紧耦合的存储器接口支持32位的高速AMBA总线接口MMU支持DSP指令集，适合高速数字信号处理支持实时操作系统具有指令Cache和数据Cache支持VFP9浮点处理协处理器第65页/共140页ARM10系列处理器特点（一）ARM10系列采用ARMV5TE结构6级流水线和哈佛结构支持64位的高速AHB总线接口MMU支持DSP指令集，适合高速数字信号处理支持实时操作系统具有指令Cache和数据Cache支持VFP9浮点处理协处理器第66页/共140页ARM10系列处理器特点（二）时钟速度300MHz每条指令平均需要1.2个时钟周期适用于高性能手持式因特网设备，数字式消费类产品第67页/共140页ARM11系列处理器特点ARM11采用ARMV6结构8级流水时钟达到550MHz0.13um工艺支持IEM(IntelligentEnergyManager),节约高达75％的处理器功耗ARM1156T2-S，ARM1156T2F-S首批含有Thumb-2内核技术第68页/共140页一些厂商的ARM处理器（一）SecureCore系列专为安全需要而设计灵活的保护单元StrongARM融合了Intel技术的具有ARM体系结构的32位处理器采用ARMV4T结构5级流水Intel以SA110命名包括SA1100PDA系统芯片和SA1500多媒体处理器芯片第69页/共140页一些厂商ARM处理器（二）XscaleIntel新一代的性能全、性价比高、低功耗的微处理器

ARMV5TE7级超流水线32k数据缓存、32k指令缓存第70页/共140页ARMv7Cortex分为A，R，M三个系列A系列（适用复杂软件系统）使用MMU，支持虚拟内存。A5、A7、A8、A9、A15全系列产品的支持。R系列（实时处理器）实时处理器，具有严格的实时响应限制。使用MPU（memoryprotectionunit），只能运行在内存保护模式。M系列（成本和功耗出色）不支持原ARM指令，使用Thumb-2指令集。加入NVIC（NestedVectoredInterruptController），提供更快的中断处理、还有负责CPU在深层睡眠时的中断处理WIC（Wake-upInterruptController）。第71页/共140页Cortex-A系列核心第72页/共140页ARMv82012年11月，ARM宣布推出ARMv8架构ARMCortex-A50处理器系列产品。该系列率先推出的是Cortex-A53与Cortex-A57处理器以及最新节能64位处理技术与现有32位处理技术的扩展升级。ARMv8是一个真正意义上的64位，同时这个64位的架构当中加入了或者说提供了32位的支持。

Cortex-A57是ARM最先进、性能最高的应用处理器，而Cortex-A53不仅是功耗效率最高的ARM应用处理器，也是全球最小的64位处理器。

第73页/共140页ARMv8Cortex-A57，是为智能手机和超级手机功耗级别提供最新的性能，超级手机指的是三星的Glaxay3或者是苹果的iPhone5手机这级别的手机。Cortex-A53在性能方面大概和Cortex-A9是相当的，但是它的尺寸小得多。在32纳米的制程上能减少40%的尺寸，如果到了20纳米的话可能只有目前主流CPU1/4的尺寸。所以说A53可能对于低功耗的这样一个智能手机是一个很好的选择。上述两款ARMv8产品预计2014年上市。

第74页/共140页ARMv8第75页/共140页ARMv7v8性能功耗对比第76页/共140页

ARM处理器架构简述第77页/共140页计算机体系结构一.冯·诺依曼结构第78页/共140页计算机体系结构冯·诺依曼结构特点：1、指令和数据存储在相同的内存空间，但存储地址不同。2、处理器利用相同的总线处理内存中的指令和数据，指令和数据具有相同的数据宽度，指令与数据无法同时存取。一般用途的微处理器大多采用此结构，如x86微处理器。

ARM7嵌入式微处理器亦采用此结构第79页/共140页计算机体系结构二.哈佛体系结构

第80页/共140页计算机体系结构哈佛结构的特点：1、指令存储和数据存储分开，指令和数据分别位于不同的存储空间。2、指令与数据的存取采用不同总线，取指令和存取数据可同时进行，微处理器具有较高的执行效率。数字信号处理器DSP通常采用哈佛结构，ARM9嵌入式微处理器亦采用此结构。第81页/共140页ARM7处理器架构（三级流水）ARM处理器包括：32位ALU31个32位通用寄存器及6个状态寄存器32x8位乘法器32x32位桶形移位寄存器指令译码及控制逻辑数据/地址寄存器组成

第82页/共140页ARM处理器流程示意第83页/共140页ARM的流水线结构（一）流水线结构一条指令典型执行过程可能包括：取指：从存储器中取出指令（fetch）；译码（dec）；取操作数，从寄存器组中读操作数（reg）；执行运算（ALU）；存储器访问（mem）；结果写回寄存器（res）；第84页/共140页ARM的流水线结构（二）指令流水线第85页/共140页ARM7的三级流水ARM7采用3级流水线，即分为取指、译码和执行。第86页/共140页ARM9的五级流水ARM95级流水线，即分为取指、译码、执行、数据缓存和写回。3级流水线阻塞主要发生在存储器访问和数据通路的占用上，ARM9则采用5级流水线，把存储器存取和数据存取分开，且增加I-Cache和D-Cache，同时增加了数据写回的专用通道第87页/共140页ARM的I/O结构形式ARM采用存储器映像I/O的方式，即把I/O端口当作特殊的存储器地址来访问。一般有若干个寄存器:发送数据寄存器（只写）接收数据寄存器（只读）控制寄存器状态寄存器（只读）中断控制寄存器中断IRQ和快速中断FIQ对于FIQ的请求响应时长最多28个周期第88页/共140页ARMJTAG调试接口（一）JTAG测试标准是由联合测试行动小组（JointTestActionGroup）提出的一种国际标准，主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真、调试第89页/共140页ARMJTAG调试接口（二）TAP控制器（测试访问端口）指令寄存器器件ID寄存器旁路寄存器边界扫描寄存器

第90页/共140页ARMJTAG调试接口（三）Embedded-ICE模块JTAG调试接口基础上的扩展；包含2个观察点寄存器以及控制与状态寄存器；能够中止ARM处理器的运行，完成设置断点、观测点等功能；包含调试通信端口，使得目标系统的软件可以与主机通信；其寄存器需要通过JTAG测试端口来编程。第91页/共140页ARM编程模型第92页/共140页主要内容ARM处理器编程模型寄存器组处理器工作模式异常处理第93页/共140页ARM处理器支持的运行模式ARM处理器共支持7种运行模式，分别为：用户（usr）：ARM处理器正常的程序执行状态；系统模式（sys）：运行具有特权的操作系统任务；

快速中断（fiq）：用于高速数据传输或通道处理；外部中断（irq）：用于通用的中断处理；管理模式（svc）：操作系统使用的保护模式；中止(abt)：当数据或指令访问中止时进入该模式，可用于虚拟存储及存储保护；未定义(und)：当未定义指令执行时进入该模式，可用于硬件协处理器的软件仿真。第94页/共140页ARM处理器运行模式除用户模式之外的其余6种称为非用户模式，或特权模式（PrivilegedModes）；而特权模式中，除系统模式之外的其余5种又称为异常模式（ExceptionModes）。用户程序运行在用户模式下，不能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。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，在异常处理过程中进行处理器处理器模式的切换。这种体系结构可以使系统控制整个系统的资源。

第95页/共140页系统模式系统模式并不是通过异常过程进入的，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可以正常保存当前工作状态，进行模式切换。第96页/共140页ARM处理器运行模式当应用程序发生异常中断时，处理器进入相应的异常模式。在每一种异常模式中都有一组寄存器，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式时，用户模式下的寄存器（保存了程序运行状态）不被破坏。第97页/共140页ARM的寄存器组织ARM处理器共有37个32位寄存器，其中31个为通用寄存器，6个状态寄存器。ARM状态下的寄存器组织未分组寄存器R0~R7分组寄存器R8~R14程序计数器R15（PC）当前程序状态寄存器(CPSR)备份的程序状态寄存器(SPSR)第98页/共140页第99页/共140页Thumb状态下的寄存器组织Thumb状态下的寄存器组织通用寄存器R0~R7程序计数器PC堆栈指针SP(R13)连接寄存器LRCPSP和SPSR第100页/共140页第101页/共140页R13（SP－堆栈指针）每种异常模式都有备份寄存器R13_usr,R13_svc,R13_abt,R13_und,R13_irq,R13_fiq用作堆栈指针每种异常模式有自己专用的栈地址R13用于被中断程序的现场保护，即保存需要保护的寄存器值第102页/共140页R14（LR－连接寄存器）每种异常模式都有备份寄存器R14_usr,R14_svc,R14_abt,R14_und,R14_irq,R14_fiq作用存放当前子程序的返回地址异常中断发生时，该异常模式R14_xxx被设置为将要返回的地址第103页/共140页R15（PC－程序计数器）指令地址PC=当前执行指令地址＋8地址值字对齐及半字对齐例MOVPC,PC ;跳转到下面第二条指令第104页/共140页状态寄存器状态寄存器:当前程序状态寄存器CPSR，可以在任何工作模式下被访问；程序状态备份寄存器SPSR，只有在异常模式下，才能被访问；第105页/共140页CPSR－当前程序状态寄存器（一）当前程序状态寄存器CPSR

N：补码形式的有符号数运算时，1为负，0为正；Z：1表示结果为零；C：加减法的进位或借位，以及非加减法的最后移位；V：1表示补码形式的有符号数加减运算时符号位溢出；第106页/共140页CPSR－当前程序状态寄存器（二）Q：v5以上版本才有，描述增强DSP运算指令是否发生溢出；I、F：中断禁止位，1表示中断禁止；T：指示处理器处于ARM或Thumb工作状态；第107页/共140页CPSR－当前程序状态寄存器(三)M[4:0]：表示处理器的运行模式0b10000——User0b10001——FIQ0b10010——IRQ0b10011——Supervisor0b10111——Abort0b11011——Undefined0b11111——System第108页/共140页ARM控制程序执行的方式正常执行，每执行一条指令ARM指令PC+4Thumb指令PC+2跳转:B、BL、BX、BLX异常中断执行完当前指令，跳转到异常中断处理程序执行完返回到发生中断指令的下一条处要保护和恢复被中断程序的执行现场第109页/共140页ARM处理器的异常中断（一）异常是指正常的程序执行流程发生暂时的停止或改变，例如在复位、有中断请求及指令预取中止时；

ARM处理器支持7种类型的异常。复位（RESET)：当处理器的复位电平有效时，产生复位异常，程序跳转到复位异常处理程序处执行。未定义指令(UDEF)：当ARM处理器或协处理器遇到不能处理的指令时，产生未定义指令异常。可使用该异常机制进行软件仿真。软件中断(SWI)：该异常由执行SWI指令产生，可用于用户模式下的程序调用特权操作指令。使用该异常机制可以实现系统功能调用。第110页/共140页ARM处理器的异常中断（二）指令预取中止(PABT)：若处理器预取指令的地址不存在，或该地址不允许当前指令访问，存储器会向处理器发出中止信号，但当预取的指令被执行时，才会产生指令预取中止异常。数据中止(DABT)：若处理器数据访问指令的地址不存在，或该地址不允许当前指令访问时，产生数据中止异常。IRQ（外部中断请求）：当处理器的外部中断请求引脚有效，且CPSR中的I位为0时，产生IRQ异常。系统的外设可通过该异常请求中断服务。FIQ（快速中断请求）：当处理器的快速中断请求引脚有效，且CPSR中的F位为0时，产生FIQ异常。第111页/共140页ARM处理器的异常中断（三）异常类型模式正常向量地址高向量地址复位管理0x000000000xFFFF0000未定义指令未定义0x000000040xFFFF0004软件中断管理0x000000080xFFFF0008指令预取中止中止0x0000000C0xFFFF000C数据中止中止0x000000100xFFFF0010IRQIRQ0x000000180xFFFF0018FIQFIQ0x0000001C0xFFFF001C第112页/共140页ARM处理器的异常中断（四）异常优先级异常类型1（最高）复位2数据中止3FIQ4IRQ5预取中止6未定义指令，SWI第113页/共140页ARM处理器对异常的处理（一）对异常的响应：将下一条指令的地址存入相应异常类型的连接寄存器LR_mode；将CPSR复制到相应异常类型的SPSR_mode中；设置CPSR的M[4:0],强制改变到相应的运行模式；禁止正常中断，如果异常类型为快速中断或复位，同时禁止快中断；强制PC从相关的异常向量地址取下一条指令执行，从而跳转到相应的异常处理程序处。第114页/共140页ARM处理器对异常的处理（二）异常返回从堆栈中恢复用户寄存器将SPSR_mode复制回CPSR中复制LR_mode－>PC第115页/共140页未定义异常的操作过程进入异常：R14_und=产生异常的下一条指令地址SPSR_und=CPSRCPSR[4:0]=0b11011/*进入未定义运行模式*/CPSR[5]=0/*进入ARM工作状态*/CPSR[7]=1/*禁止正常中断*/如果设置了高向量模式，则PC=0xFFFF0004 否则 PC=0x00000004退出异常：MOVSPCR14恢复PC（从R14_und）和CPSR（从SPSR_und），并返回到该未定义指令的下一条指令处第116页/共140页ARM推荐的异常退出指令异常类型R14（ARM）R14（Thumb）返回指令BLPC+4PC+2MOVPC,R14SWIPC+4PC+2MOVSPC,R14UDEFPC+4PC+2MOVSPC,R14FIQPC+4PC+4SUBSPC,R14,#4IRQPC+4PC+4SUBSPC,R14,#4PABTPC+4PC+4SUBSPC,R14,#4DABTPC+8PC+8SUBSPC,R14,#8RESET---第117页/共140页例：SWI中断的R14例如： 0x8000

mov...... 0x8004

add...... 0x8008

SWI...... 0x800C

mov...... 0x8010

add......当程序执行SWI异常时，PC指向0x8010，在跳转到异常向量的之前，ARM会把R14调整到0x800C第118页/共140页ARM数据类型字（Word）：在ARM体系结构中，字的长度为32位，而在8位/16位处理器体系结构中，字的长度一般为16位，请注意区分。半字（Half-Word）：在ARM体系结构中，半字的长度为16位，与8位/16位处理器体系结构中字的长度一致。字节（Byte）：在ARM体系结构和8位/16位处理器体系结构中，字节的长度均为8位。第119页/共140页存储器组织以0x87654321为例小端方式对应于地址[A+3]=0x87,[A+2]=0x65,[A+1]=0x43,[A]=0x21大端方式对应于地址[A]=0x87,[A+1]=0x65,[A+2]=0x43,[A+3]=0x21Byte[A+3]Byte[A+2]Byte[A+1]Byte[A]Bit31bit0第120页/共140页字对齐与半字对齐ARM状态，字地址的低两位bits[1:0]必须为0b00，半字地址的最低位bit[0]为0b0Thumb状态，字地址最地位bit[0]必须为0b0如果写入PC的指令地址非对齐ARMV3及以下，忽略R15的bits[1:0]ARMV4及以上，执行结果不可预知Thumb，忽略R15的bit[0]第121页/共140页ARM处理器工作状态从编程的角度看，ARM处理器有2种工作状态并可自由切换：ARM状态：处理器执行32位的、字对准ARM指令；Thumb状态：处理器执行16位、半字对准的Thumb指令。第122页/共140页ARM/Thumb状态的切换ARM处理器总是从ARM状态开始执行可用指令实现状态切换BLXLDR、LDM及POP当处理器进入异常中断处理程序时，自动切换到ARM状态如果从Thumb状态进入异常，处理完成退出后仍自动进入Thumb状态第123页/共140页立即数一条ARM指令32位，可能含12位立即数immediate=immed_8循环右移(2*rotate_imm)合法：0xff,x0104,0xff0,0x3f0非法：0x101,0xff1,0x102(非偶数位)Qu:0x1fc第124页/共140页ARM指令系统跳转B，BL，BLX移位ASR,LSL,LSR,ROR,ROX存储加载LDR,STR软中断SWI第125页/共140页指令名指令含义操作ADD相加Rd=Rn+op2SUB相减Rd=Rn-op2RSB反向相减Rd=op2-RnADC带进位加Rd=Rn+op2+CSBC带借位减Rd=Rn-op2+C-1RSC反向带借位减Rd=op2-Rn+C-1AND位与Rd=RnANDop2ORR位或Rd=RnORop2EOR位异或Rd=RnEORop2BIC位清零Rd=RnANDNOTop2MOV传送Rd=op2MVN传送非Rd=NOTop2CMP比较Rn-op2CMN负向比较Rd=op2-RnTST测试RnANDop2TEQ测试相等RnEORop2第126页/共140页指令名指令含义操作MUL乘法Rd=Rm*RsMLA乘加Rd=Rm*Rs+RnUMULL无符号数乘法RdH:RdL=Rm*RsUMLAL无符号数乘加RdH:RdL+=Rm*RsSMULL有符号数乘RdH:RdL=Rm*RsSMLAL有符号数乘加RdH:RdL+=Rm*Rs第127页/共140页多寄存器加载/存储指令（一）该指令完成多个通用寄存器与存储单元之间的数据传送。LDM|STM{cond}寻址方式Rn{!},通用寄存器组{^}符号的含义：寻址方式为：IA、IB、DA、DB、FD、ED、FA、EA；Rn：基址寄存器，不允许为R15（PC）；！：指令执行后，刷新基址寄存器Rn“^”：当寄存器列表包含PC且为LDM指令时，同时将SPSR拷贝到CPSR，用于异常返回；当寄存器列表不包含PC，指示指令中所有的寄存器为用户模式下的寄存器第128页/共140页LDM/STM操作语法：<LDM|STM>{<cond>}<addressing_mode>Rb{!},<寄存器list>四

种寻址操作:

LDMIA/STMIA IncrementAfter（先操作，后增加）

LDMIB/STMIB IncrementBefore（先增加，后操作）

LDMDA/STMDA DecrementAfter（先操作，后递减）

LDMDB/STMDB DecrementBefore（先递减，后操作）IAr1地址增加r4r0r1r4r0r1r4r0r1r4r0r10IBDADBLDMxxr10,{r0,r1,r4}STMxxr10,{r0,r1,r4}基址寄存器(Rb)第129页/共140页存储器块拷贝可选项“!

”将导致LDM/STM

指令去自动更新基址寄存器后缀为IA,IB时，加上4乘以用于传送的寄存器的数目的值后缀为DA,DB时，减去4乘以用于传送的寄存器的数目的值示例:;r12指向源数据起始地址;r14指向源数据尾地址;r13指向目的数据起始地址loop LDMIA r12!,{r0-r11} ;装载48bytes STMIA r13!,{r0-r11} ;存储them CMP r12,