第二讲ARM微处理器的编程模型

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第2章-ARM体系结构与编程模型

特征：MMU, Cache 最快频率、最高性能、合理功耗
特征：MPU, Cache 实时响应、合理性能、较低功耗
特征：no sub-memory system 一般性能、最低成本、极低功耗
ARM体系结构的命名规则
ARM{X}{y}{z}{T}{D}{M}{I}{E}{J}{F}{-S} x——系列 y——存储管理/保护单元 z——Cache T——Thumb16位译码器 D——JTAG调试器 M——快速乘法器 I——嵌入式跟踪宏单元 E——增强DSP指令 J——Jazelle F——向量浮点单元 S——可综合版本，以源代码形式提供的ARM核
电
300
温度范围
-40到80度
电源供应
2.5V ( 逻辑电路 ),3.3V (I/O) ，支持 5V I/Os
封装
456-Ball,Enhanced PBGA (35mm x 35mm)
*Dhrystone是一个综合性的基准测试程序，它是为了测试编译器和CPU处理整数指令和控制功能的有效性，人为地选择一些“典型指令综合起来形成的测试程序。
ARM1020E, ARM1022E ARM1026EJ-S
三级流水性能：0.9MIPS/MHz, 可达到130MIPs (Dhrystone2.1)
五级流水，性能：1.1MIPS/MHz，可达300 MIPS (Dhrystone 2.1)，单32-bit AMBA bus 接口，支持MMU
五级流水，支持DSP指令。性能：1.1MIPS/MHz，可达300 MIPS (Dhrystone 2.1)，高性能AHB, 软核（soft IP）
(excl. DSP)
2,000
0
2000
2001

二、ARM及其编程模型

分开的CPSR(current program status register,当前程序状态寄存器)和SPSR（saved program status register,备份的程序状态寄存器），当异常发生时， SPSR用于保存CPSR的当前值，从异常退出时则可以由SPSR来恢复CPSR。增加了两种异常模式，使操作系统代码可方便地使用数据访问中止异常、指令预取中止异常和未定义指令异常。增加了MRS指令和MSR指令,用于完成对CPSR和 SPSR寄存器的读/写；修改了原来的从异常中返回的指令
RISC和CISC在构架上有着几个不同的地方:
1）首先是指令集的设计上，RISC构架的指令格式和长度通常是固定的（如ARM是32位的指令）、且指令和寻址方式少而简单、大多数指令在一个周期内就可以执行完毕：CISC构架下的指令通常是可变的、指令类型也很多、一条指令通常要若干周期才可以执行完毕。由于指令集多少与复杂度上的差异，是 RISC的处理器可以利用简单的硬件电路
（5）SIMD变种（ARM媒体功能扩展） ARM的SIMD媒体功能扩展为这些应用系统提供了解决方案，它为包括音频和视频处理在内的应用系统提供了优化功能，其主要特点如下：使处理器的音频和视频处理的性能提高了2-4倍。可同时进行2个16位操作数或者4个8位操作数的运算。用户可自定义饱和运算的模式。可进行2个16位操作数的乘加/乘减运算及32位乘以 32位的小数乘加运算。同时8/16位选择操作。
2.版本2（v2）与版本1相比，版本2增加了下列指令：乘法与乘加指令（multiply& multiply-accumulate）支持协处理器。原子性（atomic)加载/存储指令SWP和SWPB(稍后的版本称v2a)。 FIQ中的两个以上的分组寄存器。 3.版本3（V3）版本3较以前的版本发生了大的变化，具体改进下：推出32位寻址能力。

第2章ARM的体系结构及编程模型

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第2章 ARM体系结构及编程模型
1 ARM技术的应用领域及特点 2 ARM微处理器系列 3 ARM处理器的工作模式
4 ARM 处理器的寄存器组织 5 ARM 异常处理 6 ARM处理器的存储器格式 7 ARM处理器的工作状态
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ARM微处理器系列 ARM微处理器系列
? ARM7系列 ? ARM9系列 ? ARM9E系列
第2章 ARM体系结构及编程模型
1 ARM技术的应用领域及特点 2 ARM微处理器系列 3 ARM处理器的工作模式
4 ARM 处理器的寄存器组织 5 ARM 异常处理 6 ARM处理器的存储器格式 7 ARM处理器的工作状态
1
ARM技术的应用领域及特点
ARM－Advanced RISC Machines
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ARM微处理器系列
ARM7微处理器系列
? 主要应用领域：工业控制、Internet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。
? ARM7系列微处理器包括如下几种类型的核： ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ。其中，ARM7TMDI是目前使用最广泛的32位嵌入式RISC处理器，属低端ARM处理器核。TDMI的基本含义为：
3
ARM技术的应用领域及特点
ARM微处理器应用领域
? 到目前为止， ARM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
工业控制领域：作为 32的RISC架构，基于 ARM核的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扩展， ARM微控制器的低功耗、高性价比，向传统的 8位/16位微控制器提出了挑战。
? ARM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，还可以认为是一种技术的名字。

ARM微处理器的编程模型(二)分析

➢ 作为32位的微处理器，ARM体系结构所支持的最大寻址空间为4GB（232字节） • 受到物理地址线的限制，一般实际嵌入式处理器最大寻址空间为几百兆
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7
嵌入式系统设计与应用
3.7.4 ARM微处理器的数据类型（续）
ARM体系结构可以用两种方法存储字数据
➢ 大端格式（Big endian）（8051） • 字数据的高字节存储在低地址中 • 字数据的低字节存放在高地址中
产生FIQ异常
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嵌入式系统设计与应用
3.7.5 ARM微处理器的异常状态（续）
1 对异常的响应 2 从异常返回 3 各类异常的具体描述 4 异常向量 5 异常优先级（CPU内部） 6 应用程序中的异常处理
Bit0=0
字对齐 0x00000000 0x00000004 0x00000008 ……
Bit1=0,Bit0=0
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嵌入式系统设计与应用
3.7.4 ARM微处理器的数据类型（续）
ARM体系结构的存储结构（编址以字节为单位）
➢ 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，依次排列。那么，字内数据如何存储？
强制对界
编译控制：汇编align(1/2/4/8) unalign C语言#pragma pack(1/2/4/8)
问：在缺省（自然对界）情况下，上述结构需要多少存储空间（小端格式）？
12个字节
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嵌入式系统设计与应用
3.7.5 ARM微处理器的异常状态
当正常的程序执行流程发生暂时的停止时，称之为异常（Exception）

第二章 ARM微处理器编程模型-38页精选文档

FIQ异常响应时进入此模式
用于通用中断处理
IRQ异常响应时进入此模式
操作系统保护代码
系统复位和软件中断响应时进入此模式
用于支持虚拟内存和/或存储器保护
用于MMU
支持硬件协处理器的软件未定义指令异常响应时进入此模
仿真
式
ARM处理器工作模式
特权模式
处理器模式
说明
备注
用户 (usr) 正常程序工作模式不能直接切换到其它模式
未定义
支持硬模件协式处的理状器的态不未可定靠义指。令异常响应时进
(und) 未定义 (un软d) 件仿真
入此模式
ARM处理器工作模式
用户和系统模式
处理器模式
说明
备注
用户 (usr)
正常程序工作模式不能直接切换到其它模式
用户
系统 (sys) 系统
((usy用特ssr))于权支任持务而操等且作它系这统们两的使种用模与可等完用以特式户直权全都模接相不式切同类换能似到的由，其寄异但它存具模常有式器进组入。，
未定义 (und)
支持硬件协处理器的未定义指令异常响应时进
软件仿真
入此模式
ARM寄存器组织
• 37个32位寄存器，31个通用寄存器，6个状态寄存器
• 处理器工作状态和运行模式决定哪些寄存器可编程访问
• 最多可有18个活动寄存器，16数据寄存器、 2个处理器状态寄存器，程序员可见的数据寄存器是R0~R15
未未定定义义 (und) (und)
用为一于通特些用权片中模内断处式外理设。在AR硬IMRQ件内异设部常计响寄应上存时只器进允入和此许模式
操（访作系或问统者。保可此护代选外码为，只特允权系时统进许模复入）式位此特可和模软式权以件模自中式由断响下的应用或切于存支储换持器处虚保理拟护内器存模和式/ ，在A而RM用没户有模大用式处不能支直持硬接件切协换处理到器别的的模未定式义。指令异常响应时进

ARM处理器编程模型与指令系统

第十九页，共93页。
ARM形状(xíngzhuàn)各形式下
寄存器寄存器在汇编类别中的名称
用户
的各寄模式存下器实际访问的寄存器
系统
管理
中止
未定义
中断
快中断
R0(a1)
R0
R1(a2)
R1
R2(a3)
R2
R3(a4)
R3
R4(v1)
R4
R5(v2)
R5
R6(v3)
通用寄存器和
一R切7(v(4y) īqiè)的37个寄存
第三页，共93页。
4.1 ARM微处置(chǔzhì)器的义务外形
• ARM指令集和Thumb指令集均有切换处置器外形 (wài xínɡ)的指令，并可在两种义务外形(wài xínɡ)之间切换，但ARM微处置器在末尾执行代码时，应该处于ARM外形(wài xínɡ)
• 进入ARM外形(wài xínɡ)：当操作数寄存器的外形 (wài xínɡ)位〔位0〕为0时，执行BX指令时可以使微处置器从Thumb外形(wài xínɡ)切换到ARM外形(wài xínɡ)。
支持硬模件式协不处理能器直的接未切定换义指到令别异的常响模应式时进。入此
软件仿真
模式
第十七页，共93页。
处置(chǔzhì)器义务方式
• 用户和系统(xìtǒng)方式
处理器模式
说明
备注
用用户户(u(surs)r) 正常程序工作模式不能直接切换到其它模式
系系统统(s(syyss) )
用于支持操作系统与用户模式类似，但具有可以直接
R11(FP,v8)
R12(IP)
R13(SP)
R14(LR)

第2章ARM编程模型和指令集介绍讲述

第3章 ARM体系结构
2.1.4 ARM处理器模式
一、处理器模式
处理器模式：处理器在执行程序时在不同时刻所处的不同情况 ARM体系结构支持7种处理器模式。（虽然支持7种模式，但实际中并不一定都会使用到） ★ 1、User用户模式（usr）正常程序执行模式 ★2、System系统模式（sys）运行具有特权的操作系统任务 ★3、IRQ-外部中断模式（irq）用于通用的中断处理，CPU的中断来自中断控制器
第3章 ARM体系结构
4、工作模式位 M0、M1、M2、M3和M4是模式位。这些位决定处理器的工作模式。
M[4:0] 10000 10001 10010 10011 10111 11011 模式用户 FIQ IRQ 管理中止未定义可访问的寄存器
PC、R14~R0、CPSR PC、R14_fiq~R8_fiq、R7~R0、CPSR、SPSR_fiq PC、R14_irq、R13_irq、R12~R0、CPSR、SPSR_irq PC、R14_svc、R13_svc、R12~R0、CPSR、SPSR_svc PC、R14_abt、R13_abt、R12~R0、CPSR、SPSR_abt PC、R14_und、R13_und、R12~R0、CPSR、SPSR_und PC、R14~R0、CPSR
第3章 ARM体系结构
2、Thumb状态
★处理器执行16位的Thumb指令
★指令半字对齐：指令地址是2的整数倍（bit0=0 ） ★ 执行一条指令，PC值加2个字节（16位）说明 ★1、处理器可以随时在两种工作状态之间切换。 ★ 2、ARM微处理器初始状态是ARM状态
第3章 ARM体系结构
2.1.3 ARM体系的存储器和格式

ARM 处理器的编程模型

式位 5个SPSRs--(程序状态保存寄存器) 当异常发生时保存CPSR
状态
图2.3 ARM状态下的寄存器组织
2.程序状态寄存器
❖ ARM7TDMI 包含当前程序状态寄存器 (CPSR), 加上5个程序状态保存寄存器SPSR，当异常发生时，用于保存CPSR的状态
❖ 这些寄存器的功能是: 保存ALD当前操作信息控制允许和禁止中断设置处理器操作模式
以为16位（在Thumb状态下）。 ARM微处理器中支持字节（8位）、半字（16位）、字（32位）
三种数据类型，其中，字需要4字节对齐（地址的低两位为0）、半字需要2字节对齐（地址的最低位为0）。
ARM体系结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，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。作为32位的微处理器，ARM
❖ 除了用户模式外，其他模式均可视为特权模式
1.4 ARM 状态下的寄存器组织
1.通用寄存器通用寄存器包括R0～R15，可以分为三类：未分组寄存器R0～R7；分组寄存器R8～R14 程序计数器PC(R15)
可访问的寄存器取决于处理器的模式。其它寄存器 (the banked registers) 的状态在支持IRQ, FIQ, 管理
从ARM状态切换到Thumb状态 LDR R0,=Label+1 BX R0
从Thumb状态切换到ARM状态 LDR R0,=Label BX R0
1.3 ARM 处理器的工作模式
❖ ARM 处理器有7种工作模式: 用户模式(usr) - 正常的程序执行模式快速中断模式(fiq) - 支持高速数据传输或通道处理中断模式(irq) - 用于通用中断处理管理员模式(svc) - 操作系统的保护模式. 中止模式(abt) - 支持虚拟内存和/或内存保护系统模式(sys) - 支持操作系统的特殊用户模式(运行操作系统任务）未定义模式(und) - 支持硬件协处理器的软件仿真

嵌入式系统-第2章 ARM微处理器概述与编程模型

R0
CODE3126
MOV R1, #102
程序代码
跳转地址标号地地址址最最低低位位为为 1，0表，示表切示换切换到到ThAuRmMb状状态态
执执行行完完BBXX指指令令，，处处理理器器切切换换到到ATRhMum状b 态状，态开，始开执始行执A行RM 指Th令umb指令
27
2.4 ARM体系结构的存储器格式
ARM7系列广泛应用于多媒体和嵌入式设备，包括Internet设备、网络和调制解调器设备，以及移动电话、PDA等无线设备。
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2.1.2 ARM微处理器系列
ARM9系列简介
该系列包括ARM9TDMI、ARM920T和带有高速缓存处理器宏单元的ARM940T。除了兼容ARM7系列，而且能够更加灵活的设计。
前提下尽量缩小芯片的面积，并降低功耗. ➢ 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。 ➢ 可用加载/存储指令批量传输数据，以提高数据的传输效率。 ➢ 可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理。 ➢ 在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率。
20
2、RISC和CISC之间的主要区别:
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2.2.3 ARM微处理器的指令结构
ARM微处理器在较新的体系结构中支持两种指令集：ARM指令集和 Thumb指令集。
ARM指令为32位的长度 Thumb指令为16位长度 Thumb指令集为ARM指令集的功能子集，但与等价的ARM代码相比较，可节省30％～40％以上的存储空间，同时具备32位代码的所有优点。
Cortex-M3主要应用于汽车车身系统，工业控制系统和无线网络等对功耗和成本敏感的嵌入式应用领域。目前最便宜的基于该内核的ARM单片机售价为1美元。

第二章 ARM编程模型和指令集-PPT精品文档

问题：三级流水线中PC如何规定？回答：PC指向被取指的指令，而不是指向正在执行的指令。
2.1.4 ARM的工作模式
ARM的七种运行模式
– – – – – 用户模式（usr）： ARM处理器正常的程序执行状态快速中断模式（fiq）：用于高速数据传输或通道处理外部中断模式（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数据访问终止模式(abt) ：当数据或指令预取终止时进入该模式，可用于虚拟存储及存储保护。 – 系统模式（sys）：运行具有特权的操作系统任务。 – 未定义指令中止模式（und）：当未定义的指令执行时进入该模式，可用于支持硬件协处理器的软件仿真。
2.1.2 ARM7TDMI的组成
ADD r2,r3,r3,LSL #2
ARM7TDMI的数据流
– 数据：在单循环数据处理指令中，将采用两个寄存器的操作数。B总线上的数据将通过移位与A总线上的数据在ALU中合并，结果被写回寄存器组。
– 程序：程序寄存器中的值将存进地址寄存器，再从这里放进加法器，加后的值再写回寄存器库中的R15和地址寄存器，作为下一指令的取地址。
8086微处理器没有工作模式之分
4、外部中断模式（特，异） 5、管理模式（特，异） 6、数据访问终止模式（特，异） 7、未定义指令终止模式（特，异）
2.1.5 ARM的寄存器
ARM有37个32位的寄存器
– – – – – – – – 1个专用的程序计数器 1个专用的当前程序状态寄存器 5个专用的程序状态保存寄存器 30个通用寄存器 R0－r12寄存器 R13（堆栈指针，SP）和R14（连接寄存器）程序计数器，r15（PC）当前程序状态寄存器，cpsr

第二章 ARM微处理器编程模型

未定义
中国十大品牌IT教育机构
(und)
ARM处理器工作模式
异常模式
快中断中断管理
(fiq) (irq) (svc)
中止
们除了可以通过程序切换进入外，也可以由特定的异常进入。当特定的异常出现时，处理器进入相应的模式。每种异常模式都有一些独立的寄存器，以避免异常退出时用户模式的状态不可靠。
第二章
ARM微处理器编程模型
中国十大品牌IT教育机构

主要内容 ARM微处理器的工作状态 ARM体系结构的存储器格式 ARM微处理器的工作模式 ARM体系结构的寄存器组织 ARM微处理器的异常状态
中国十大品牌IT教育机构

R2 R1
未定义
中断
快中断
其中R0～R7为 R0(a1) 未分组的寄存器，也 R1(a2) 就是说对于任何处理 R2(a3) 器模式，这些寄存器 R3(a4) 都对应于相同的32位 R4(v1) 物理寄存器。 R5(v2)
R6(v3) R7(v4) R8(v5) 通用寄存器和 R9(SB,v6) 程序计数器 R10(SL,v7) R11(FP,v8) R12(IP)
R13_irq
R10_fiq R11_fiq R12_fiq
R13_fiq
R13(SP)
R13
R13_un R13_svc R13_abt R13_irq R13_fiq d
一般的通用寄存器
寄存器寄存器在汇类别编中的名称 R0(a1) R1(a2) R2(a3) R3(a4) 寄存器R8～R14为分组 R4(v1) 寄存器。它们所对应的物理 R5(v2) 寄存器取决于当前的处理器 R6(v3) 模式，几乎所有允许使用通 R7(v4) 用寄存器的指令都允许使用 R8(v5) 分组寄存器通用寄存器和 R9(SB,v6) 程序计数器 R10(SL,v7) R11(FP,v8) R12(IP)

ARM微处理器的编程模型

第2章 ARM微处理器的编程模型本章简介ARM微处理器编程模型的一些基本概念，包括工作状态切换、数据的存储格式、处理器异常等，通过对本章的阅读，希望读者能了解ARM微处理器的基本工作原理和一些与程序设计相关的基本技术细节，为以后的程序设计打下基础。

本章的主要内容：－ ARM微处理器的工作状态－ ARM体系结构的存储器格式－ ARM微处理器的工作模式－ ARM体系结构的寄存器组织－ ARM微处理器的异常状态在开始本章之前，首先对字（Word）、半字（Half-Word）、字节（Byte）的概念作一个说明：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，请读者在阅读时注意区分。

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。

2.1 ARM微处理器的工作状态从编程的角度看，ARM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：－第一种为ARM状态，此时处理器执行32位的字对齐的ARM指令；－第二种为Thumb状态，此时处理器执行16位的、半字对齐的Thumb指令。

当ARM微处理器执行32位的ARM指令集时，工作在ARM状态；当ARM微处理器执行16位的Thumb指令集时，工作在Thumb状态。

在程序的执行过程中，微处理器可以随时在两种工作状态之间切换，并且，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。

状态切换方法：ARM指令集和Thumb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，但ARM 微处理器在开始执行代码时，应该处于ARM状态。

进入Thumb状态：当操作数寄存器的状态位（位0）为1时，可以采用执行BX指令的方法，使微处理器从ARM状态切换到Thumb状态。

第2章 ARM微处理器的编程模型

第2章ARM微处理器的编程模型本章简介ARM微处理器编程模型的一些基本概念包括工作状态换数据的储格式处理器异常等通过对本章的阅读希望读者能了解ARM微处理器的基本工作原理和一些程序计相关的基本技术节后的程序计打基础本章的要内容ARM微处理器的工作状态ARM体系结构的储器格式ARM微处理器的工作模式ARM体系结构的寄器组ARM微处理器的异常状态在开始本章之前首先对 Word 半字alf-Word 节 Byte 的概念作一个说明 Word 在ARM体系结构中的长度 32 而在8 /16 处理器体系结构中的长度一般 16 请读者在阅读时注意区半字alf-Word 在ARM体系结构中半的长度 16 8 /16 处理器体系结构中的长度一节 Byte 在ARM体系结构和8 /16 处理器体系结构中节的长度均 82.1 ARM微处理器的工作状态从编程的角度看 ARM微处理器的工作状态一般有两种并可在两种状态之间换第一种 ARM状态时处理器执行32 的对齐的ARM指第二种正具umb状态时处理器执行16 的半对齐的正具umb指当ARM微处理器执行32 的ARM指集时工作在ARM状态当ARM微处理器执行16 的正具umb指集时工作在正具umb状态在程序的执行过程中微处理器可随时在两种工作状态之间换并处理器工作状态的转并影响处理器的工作模式和相应寄器中的内容状态换方法：ARM指集和正具umb指集均有换处理器状态的指并可在两种工作状态之间换但ARM 微处理器在开始执行码时应处于ARM状态进入正具umb状态当操作数寄器的状态 0 1时可采用执行BX指的方法使微处理器从ARM状态换到正具umb状态外当处理器处于正具umb状态时发生异常如存R习 F存习此ndef Abort 止W存等则异常处理返回时自动换到正具umb状态进入ARM状态当操作数寄器的状态 0时执行BX指时可使微处理器从正具umb状态换到ARM状态外在处理器进行异常处理时把也C指针放入异常模式链接寄器中并从异常向量地址开始执行程序可使处理器换到ARM状态2.2 ARM体系结构的储器格式ARM体系结构将储器看作是从零地址开始的节的线性组合从零节到节放置第一个储的数据从第四个节到第七个节放置第二个储的数据依次排列作 32 的微处理器 ARM体系结构所支持的最大址空间 4GB 232 节ARM体系结构可用两种方法储数据称之大端格式和小端格式体说明如大端格式：在种格式中数据的高节储在地址中而数据的节则放在高地址中如图2.1所示图2.1 大端格式储数据小端格式：大端储格式相反在小端储格式中地址中放的是数据的节高地址放的是数据的高节如图2.2所示图2. 2 小端格式储数据2.3 指长度及数据类型ARM微处理器的指长度可是32 在ARM状态可 16 在正具umb状态 ARM微处理器中支持节 8 半 16 32 种数据类型中需要4 节对齐地址的两 0 半需要2 节对齐地址的最 02.4 处理器模式ARM微处理器支持7种运行模式─ 用户模式 usr ARM处理器常的程序执行状态─ 快中断模式 fiq 用于高数据传输或通道处理─ 外部中断模式 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─ 数据问模式(abt) 当数据或指预时进入模式可用于虚拟储及储保护─ 系统模式 sys 运行有特权的操作系统任─ 未定指中模式 und 当未定的指执行时进入模式可用于支持硬件协处理器的软件仿真ARM微处理器的运行模式可通过软件改可通过外部中断或异常处理改大多数的应用程序运行在用户模式当处理器运行在用户模式时某些被保护的系统资源是能被问的除用户模式外余的所有6种模式称之非用户模式或特权模式也rivile其ed Modes 中除去用户模式和系统模式外的5种又称异常模式 Exception Modes 常用于处理中断或异常及需要问保护的系统资源等情况2.5 寄器组ARM微处理器共有37个32 寄器中31个通用寄器 6个状态寄器但是些寄器能被同时问体哪些寄器是可编程问的决微处理器的工作状态及体的运行模式但在任何时候通用寄器R14～R0 程序计数器也C 一个或两个状态寄器都是可问的2.5.1 ARM状态下的寄存器组织通用寄存器：通用寄器包括R0～R15 可类─ 未组寄器R0～R7─ 组寄器R8～R14─ 程序计数器也C(R15)未组寄存器R0～R7：在所有的运行模式未组寄器都指向同一个物理寄器他们未被系统用作特殊的用途因在中断或异常处理进行运行模式转换时由于同的处理器运行模式均使用相同的物理寄器可能会成寄器中数据的破坏一点在进行程序计时应引起注意组寄存器R8～R14对于组寄器他们每一次所问的物理寄器处理器当前的运行模式有关对于R8～R12来说每个寄器对应两个同的物理寄器当使用fiq模式时问寄器R8_fiq～R12_fiq 当使用除fiq模式外的他模式时问寄器R8_usr～R12_usr 对于R13 R14来说每个寄器对应6个同的物理寄器中的一个是用户模式系统模式共用另外5个物理寄器对应于他5种同的运行模式采用的记号来区同的物理寄器R13_<mode>R14_<mode>中 mode 几种模式之一 usr fiq irq svc abt und寄器R13在ARM指中常用作堆指针但只是一种惯用法用户可使用他的寄器作堆指针而在正具umb指集中某些指强制性的要求使用R13作堆指针由于处理器的每种运行模式均有自己独立的物理寄器R13 在用户应用程序的初始化部一般都要初始化每种模式的R13 使指向运行模式的空间样当程序的运行进入异常模式时可将需要保护的寄器放入R13所指向的堆而当程序从异常模式返回时则从对应的堆中恢复采用种方式可保证异常发生后程序的常执行R14 称作子程序接寄器止ubroutine Link Re其ister 或接寄器LR 当执行BL子程序调用指时 R14中得到R15 程序计数器也C 的备份他情况 R14用作通用寄器之类似当发生中断或异常时对应的组寄器R14_svc R14_irq R14_fiq R14_abt和R14_und 用来保 R15的返回值寄器R14常用在如的情况在每一种运行模式都可用R14保子程序的返回地址当用BL或BLX指调用子程序时将也C的当前值拷贝给R14 执行完子程序后又将R14的值拷贝回也C 即可完成子程序的调用返回的描述可用指完成1 执行任意一条指MOV PC LRBX LR2 在子程序入口处使用指将R14 入堆STMFD SP！,{<Regs>,LR}对应的使用指可完成子程序返回LDMFD SP！,{<Regs>,PC}R14 可作通用寄器程序计数器PC(R15)寄器R15用作程序计数器也C 在ARM状态 [1义0] 0 [31义2]用于保也C 在正具umb 状态 [0] 0 [31义1]用于保也C 虽然可用作通用寄器但是有一些指在使用R15时有一些特殊限制若注意执行的结果将是可预料的在ARM状态也C的0和1 是0 在正具umb 状态也C的0 是0R15虽然可用作通用寄器但一般使用因对R15的使用有一些特殊的限制当反了些限制时程序的执行结果是未知的由于ARM体系结构采用了多级流水线技术对于ARM指集而言 PC总是指向当前指的两条指的地址即PC的值当前指的地址值 8个节图2.3 ARM状态的寄器组在ARM状态任一时刻可问所讨论的16个通用寄器和一到两个状态寄器在非用户模式特权模式则可问到特定模式组寄器图2.3说明在每一种运行模式哪一些寄器是可问的寄存器R16：寄器R16用作CPSR(Current Program Status Register 当前程序状态寄器) CPSR可在任何运行模式被问它包括条件志中断禁当前处理器模式志及他一些相关的制和状态每一种运行模式又都有一个用的物理状态寄器称止也止R 止aved 也ro其ram 止tatus Re其ister 备份的程序状态寄器当异常发生时止也止R用于保 C也止R的当前值从异常出时则可由止也止R来恢复C也止R由于用户模式和系统模式属于异常模式他们没有止也止R 当在两种模式问止也止R 结果是未知的2.5.2 Thumb状态下的寄存器组织正具umb状态的寄器集是ARM状态寄器集的一个子集程序可直接问8个通用寄器 R7～R0 程序计数器也C 堆指针止也接寄器 LR 和C也止R 同时在每一种特权模式都有一组止也 LR和止也止R 图2.4表明正具umb状态的寄器组图2.4 正具umb状态的寄器组Thumb状态下的寄存器组织与ARM状态下的寄存器组织的关系：─ 正具umb状态和ARM状态的R0～R7是相同的─ 正具umb状态和ARM状态的C也止R和所有的止也止R是相同的─ 正具umb状态的止也对应于ARM状态的R13─ 正具umb状态的LR对应于ARM状态的R14─ 正具umb状态的程序计数器对应于ARM状态 R15的对应关系如图2.5所示图2.5 正具umb状态的寄器组访问THUMB状态下的高位寄存器 Hi-registers ：在正具umb状态高寄器R8～R15并是准寄器集的一部但可使用汇编语言程序限制的问些寄器将用作快的暂器使用带特殊量的MO步指数据可在寄器和高寄器之间进行传高寄器的值可使用CM也和ADD指进行较或寄器中的值2.5.3 程序状态寄存器ARM体系结构包一个当前程序状态寄器 C也止R 和五个备份的程序状态寄器止也止Rs 备份的程序状态寄器用来进行异常处理能包括─ 保 AL此中的当前操作信息─ 制允许和禁中断─ 置处理器的运行模式程序状态寄器的每一的安排如图2.6所示图2.6 程序状态寄器格式条件码标志 Condition Code FlagsN Z C 步均条件码志它们的内容可被算术或逻辑运算的结果所改并可决定某条指是否被执行在ARM状态绝大多数的指都是有条件执行的在正具umb状态仅有支指是有条件执行的条件码志各的体如表2-1所示表2-1 条件码标志的具体义标志位义N 当用两个补码表示的带符号数进行运算时 N=1 表示运算的结果负数 N=0 表示运算的结果数或零Z Z=1 表示运算的结果零 Z=0表示运算的结果非零C 可有4种方法置C的值─ 法运算包括较指 CMN 当运算结果产生了进时无符号数溢出 C=1 否则C=0─ 减法运算包括较指 CM也当运算时产生了借无符号数溢出 C=0 否则C=1─ 对于包移操作的非 /减运算指 C 移出值的最后一─ 对于他的非 /减运算指 C的值通常改步可有2种方法置步的值─ 对于 /减法运算指当操作数和运算结果二进制的补码表示的带符号数时步=1表示符号溢出─ 对于他的非 /减运算指步的值通常改习在ARM v5及版本的E系列处理器中用习志指示增强的D止也运算指是否发生了溢出在他版本的处理器中习志无定控制位也止R的 8 包括存 F 正和M[4 0] 称制当发生异常时些可被改如果处理器运行特权模式些可由程序修改─ 中断禁存 F存=1 禁存R习中断;F=1 禁 F存习中断─ 正志反映处理器的运行状态对于ARM体系结构v5及的版本的正系列处理器当 1时程序运行于正具umb状态否则运行于ARM状态对于ARM体系结构v5及的版本的非正系列处理器当 1时执行一条指引起定的指异常当 0时表示运行于ARM状态─ 运行模式 M[4 0] M0 M1 M2 M3 M4是模式些决定了处理器的运行模式体如表2-2所示表2-2 运行模式位M[4：0]的具体义M[4：0] 处理器模式可访问的寄存器0b10000 用户模式PC CPSR,R0-R140b10001 FIQ模式PC CPSR, SPSR_fiq R14_fiq-R8_fiq, R7～R00b10010 IRQ模式PC CPSR, SPSR_irq R14_irq,R13_irq,R12～R00b10011 管理模式PC CPSR, SPSR_svc R14_svc,R13_svc,,R12～R0,0b10111 中模式PC CPSR, SPSR_abt R14_abt,R13_abt, R12～R0,0b11011 未定模式PC CPSR, SPSR_und R14_und,R13_und, R12～R0,0b11111 系统模式PC CPSR ARM v4及版本 , R14～R0由表2-2可知并是所有的运行模式的组合都是有效地他的组合结果会处理器进入一个可恢复的状态保留位也止R中的余保留当改也止R中的条件码志或者制时保留要被改在程序中要使用保留来储数据保留将用于ARM版本的扩展2.6 异常 Exceptions当常的程序执行流程发生暂时的停时称之异常例如处理一个外部的中断请求在处理异常之前当前处理器的状态必须保留样当异常处理完成之后当前程序可继续执行处理器允许多个异常同时发生它们将会按固定的优先级进行处理ARM体系结构中的异常 8 /16 体系结构的中断有很大的相似之处但异常中断的概念并完全等同2.6.1 ARM体系结构所支持的异常类型ARM体系结构所支持的异常及体如表2-3所示表2-3 ARM体系结构所支持的异常异常类型具体义复当处理器的复电平有效时产生复异常程序跳转到复异常处理程序处执行未定指当ARM处理器或协处理器遇到能处理的指时产生未定指异常可使用异常机制进行软件仿真软件中断异常由执行SWI指产生可用于用户模式的程序调用特权操作指可使用异常机制实现系统能调用指预中若处理器预指的地址在或地址允许当前指问储器会向处理器发出中信号但当预的指被执行时才会产生指预中异常数据中若处理器数据问指的地址在或地址允许当前指问时产生数据中异常IRQ 外部中断请求当处理器的外部中断请求引脚有效 CPSR中的I 0时产生IRQ异常系统的外可通过异常请求中断服FIQ 快中断请求当处理器的快中断请求引脚有效 CPSR中的F 0时产生FIQ异常2.6.2 对异常的响应当一个异常出现后 ARM微处理器会执行几操作1 将一条指的地址入相应接寄器LR 便程序在处理异常返回时能从确的置重新开始执行若异常是从ARM状态进入 LR寄器中保的是一条指的地址当前也C 4或也C 8 异常的类型有关若异常是从正具umb状态进入则在LR寄器中保当前也C的偏移量样异常处理程序就需要确定异常是从何种状态进入的例如在软件中断异常止W存指 MO步也C R14_svc总是返回到一条指管止W存是在ARM状态执行是在正具umb状态执行2 将C也止R复制到相应的止也止R中3 根据异常类型强制置C也止R的运行模式4 强制也C从相关的异常向量地址一条指执行从而跳转到相应的异常处理程序处可置中断禁禁中断发生如果异常发生时处理器处于正具umb状态则当异常向量地址载入也C时处理器自动换到ARM状态ARM微处理器对异常的响应过程用伪码可描述R14_<Exception_Mode> = Return LinkSPSR_<Exception_Mode> = CPSRCPSR[4:0] = Exception Mode NumberCPSR[5] = 0 当运行于ARM工作状态时If <Exception_Mode> == Reset or FIQ then当响应FIQ异常时禁新的FIQ异常CPSR[6] = 1CPSR[7] = 1PC = Exception Vector Address2.6.3 从异常返回异常处理完之后 ARM微处理器会执行几操作从异常返回1 将接寄器LR的值减去相应的偏移量后到也C中2 将止也止R复制回C也止R中3 若在进入异常处理时置了中断禁要在清除可认应用程序总是从复异常处理程序开始执行的因复异常处理程序需要返回 2.6.4 各类异常的具体描述FIQ Fast Interrupt RequestF存习异常是了支持数据传输或者通道处理而计的在ARM状态系统有足够的私有寄器从而可避免对寄器保的需求并减小了系统文换的开销若将C也止R的F 置 1 则会禁 F存习中断若将C也止R的F 清零处理器会在指执行时检查F存习的输入注意只有在特权模式才能改 F 的状态可由外部通过对处理器的nF存习引脚输入电平产生F存习管是在ARM状态是在正具umb状态进入F存习模式 F存习处理程序均会执行指从F存习模式返回SUBS PC,R14_fiq ,#4指将寄器R14_fiq的值减去4后复制到程序计数器PC中从而实现从异常处理程序中的返回同时将SPSR_mode寄器的内容复制到当前程序状态寄器CPSR中IRQ Interrupt Request存R习异常属于常的中断请求可通过对处理器的n存R习引脚输入电平产生存R习的优先级于F存习当程序执行进入F存习异常时存R习可能被屏蔽若将C也止R的存置 1 则会禁存R习中断若将C也止R的存清零处理器会在指执行完之前检查存R习的输入注意只有在特权模式才能改存的状态管是在ARM状态是在正具umb状态进入存R习模式存R习处理程序均会执行指从存R习模式返回SUBS PC , R14_irq , #4指将寄器R14_irq的值减去4后复制到程序计数器PC中从而实现从异常处理程序中的返回同时将SPSR_mode寄器的内容复制到当前程序状态寄器CPSR中ABORT 中止产生中异常意味着对储器的问失败 ARM微处理器在储器问周期内检查是否发生中异常中异常包括两种类型─ 指预中发生在指预时─ 数据中发生在数据问时当指预问储器失败时储器系统向ARM处理器发出储器中 Abort 信号预的指被记无效但只有当处理器试图执行无效指时指预中异常才会发生如果指未被执行例如在指流水线中发生了跳转则预指中会发生若数据中发生系统的响应指的类型有关当确定了中的原因后 Abort处理程序均会执行指从中模式返回无论是在ARM状态是正具umb状态SUBS PC, R14_abt, #4 指预中SUBS PC, R14_abt, #8 数据中指恢复也C 从R14_abt 和C也止R 从止也止R_abt 的值并重新执行中的指 Software Interruupt(软件中断)软件中断指止W存用于进入管理模式常用于请求执行特定的管理能软件中断处理程序执行指从止W存模式返回无论是在ARM状态是正具umb状态MOV PC , R14_svc指恢复也C 从R14_svc 和C也止R 从止也止R_svc 的值并返回到止W存的一条指 Undefined Instruction(未定义指 )当ARM处理器遇到能处理的指时会产生未定指异常采用种机制可通过软件仿真扩展ARM或正具umb指集在仿真未定指后处理器执行程序返回无论是在ARM状态是正具umb状态 MOVS PC, R14_und指恢复也C 从R14_und 和C也止R 从止也止R_und 的值并返回到未定指后的一条指2.6.5 异常进入/退出小节表2-4总结了进入异常处理时保在相应R14中的PC值及在出异常处理时荐使用的指表2-4 异常进入/退出注意返回指前的状态ARM R14_x Thumb R14_xBL MOV PC R14 PC 4 PC 2 1SWI MOVS PC R14_svc PC 4 PC 2 1UDEF MOVS PC R14_und PC 4 PC 2 1FIQ SUBS PC R14_fiq ＃4 PC 4 PC 4 2IRQ SUBS PC R14_irq ＃4 PC 4 PC 4 2PABT SUBS PC R14_abt ＃4 PC 4 PC 4 1DABT SUBS PC R14_abt ＃8 PC 8 PC 8 3RESET NA 4注意1 在 PC应是有预中的BL/SWI/未定指所的地址2 在 PC是从FIQ或IRQ 得能执行的指的地址3 在 PC是产生数据中的载或储指的地址4 系统复时保在R14_svc中的值是可预知的2.6.6 异常向量 Exception Vectors表2-5显示异常向量地址表2-5 异常向量表地址异常进入模式0x0000,0000 复管理模式0x0000,0004 未定指未定模式0x0000,0008 软件中断管理模式ARM应用系统开发解──基于S3C4510B的系统计11 0x0000,000C 中预指中模式0x0000,0010 中数据中模式0x0000,0014 保留保留0x0000,0018 IRQ IRQ0x0000,001C FIQ FIQ2.6.7 异常优先级 Exception Priorities当多个异常同时发生时系统根据固定的优先级决定异常的处理次序异常优先级由高到的排列次序如表2-6所示表2-6 异常优先级优先级异常1 最高复2 数据中3 FIQ4 IRQ5 预指中6 最未定指 SWI2.6.8 应用程序中的异常处理当系统运行时异常可能会随时发生保证在ARM处理器发生异常时于处于未知状态在应用程序的计中首先要进行异常处理采用的方式是在异常向量表中的特定置放置一条跳转指跳转到异常处理程序当ARM处理器发生异常时程序计数器PC会被强制置对应的异常向量从而跳转到异常处理程序当异常处理完成后返回到程序继续执行2.7 本章小节本章对ARM微处理器的体系结构寄器的组处理器的工作状态运行模式及处理器异常等内容进行了描述些内容是ARM体系结构的基本内容是系统软硬件计的基础。

第二章 ARM微处理器编程

管理
中止
未定义
R0(a1)
RR00
R1(a2)
RR11
R2(a3)
RR22
R3(a4)
RR33
R4(v1)
RR44
R5(v2)
RR55
R6(v3)
RR66
所有的37个寄存器，分通用寄存器
和程序计数器
R7(V4) R8(V4)
成两大类： R9(SB,v6)
R10(SL,v7)
RR77 RR88 RR99 RR1100
中断
R13_irq * R14_irq * SPSR_irq
快中断
R8_fiq * R9_fiq * R10_fiq * R11_fiq * R12_fiq * R13_fiq * R14_fiq *
SPSR_fiq
2-3-1 ARM状态下的寄存器组织
寄存器类别
寄存器在汇编中的名称
用户
系统
各模式下实际访问的寄存器
操作系统保护模式
系统复位和软件中断响应时进入此模式
用于支持虚拟内存和/或存储器保护
在ARM9没有大用处
支持硬件协处理器的软件仿真未定义指令异常响应时进入此模式
8
2-2 寄存器工作模式
特权模式：
处理器模式用户 (usr) 系统系统 (sy(s)ys)
快中快断中断(fiq()fiq) 中断中断 (irq()irq) 管理管理 (sv(cs)vc)
中止中止 (ab(at)bt)
未定未义定义 (un(udn) d)
说明
备注
正常程序工作模式
不能直接切换到其它模式
除用户模式外，其它模式均用于支持操作系统的特权任务等