第2章 ARM7体系结构(删减版)

PC
PC-4
PC-8
取指
译码
执行
处理指令并将结果写回寄存器 识别将要被执行的指令 从寄存器装载一条指令
从ARM状态切换到Thumb状态的程序代 ARM状态切换到 状态切换到Thumb状态的程序代 码如下： 码如下：
跳转地址标号 CODE32
ARM指令集
LDR BX CODE16 Lable MOV
正常操作过程中，在执行一条指令的同时对下一条 正常操作过程中， (第二条)指令进行译码，并将第三条指令从存储器中取 第二条)指令进行译码， 出。
2.2 ARM7TDMI
三级流水线
在ARM状态下，流水线上各指令的地址为 ARM状态下 状态下， 水线分3 分别为： 水线分3级，分别为： ARM7TDMI的流 ARM7TDMI的流
存储器的字与半字
从偶数地址开始的连续2个字节构成一个半字 从偶数地址开始的连续2个字节构成一个半字; 半字; 以能被4整除的地址开始的连续4个字节构成一个字 以能被4整除的地址开始的连续4个字节构成一个字； ARM指令的长度刚好是一个字，Thumb指令的长度 ARM指令的长度刚好是一个字，Thumb指令的长度 指令的长度刚好是一个字 刚好是一个半字。 刚好是一个半字。
简介 ARM7TDMI是基于 ARM7TDMI是基于ARM体系结构V4 是基于ARM体系结构 体系结构V4 版本的低端ARM核 其弥补了ARM6很难 版本的低端ARM核。 其弥补了ARM6很难 在低于5V电压下稳定工作的不足， 5V电压下稳定工作的不足 在低于5V电压下稳定工作的不足，还增加 了后缀所对应的功能： 了后缀所对应的功能： 注意： ARM核 并非芯片，ARM核与 注意：“ARM核”并非芯片，ARM核与 其它部件如RAM、ROM、 其它部件如RAM、ROM、片内外设组合在 一起才能构成现实的芯片。 一起才能构成现实的芯片。
……
A+3 A+2 A+1 A
0x78 0x56 0x34 0x12
……
存储器
大端存储模 式下， 式下， 0x12345678在 0x12345678在 A地址开始的 一个字空间的 存储； 存储；
2
2.9 ARM体系的存储系统 体系的存储系统
非对齐的存储器访问
ARM结构通常希望所有的存储器访问都合理的对齐 ARM结构通常希望所有的存储器访问都合理的对齐， 结构通常希望所有的存储器访问都合理的对齐， 具体来说就是字访问的地址通常是字对齐的， 具体来说就是字访问的地址通常是字对齐的，而半字访 问使用的地址是半字对齐的。 问使用的地址是半字对齐的。不按这种方式对齐的存储 器访问称为非对齐的存储器访问 非对齐的存储器访问。 器访问称为非对齐的存储器访问。 将一个非字（半字）对齐的地址写入R15寄存器 寄存器， 将一个非字（半字）对齐的地址写入R15寄存器， 将引起非对齐的指令取指 非对齐的指令取指； 将引起非对齐的指令取指； 在一个非字（半字）对齐的地址读写一个字 半字） 将引起非对齐的数据访问 非对齐的数据访问。 （半字），将引起非对齐的数据访问。
处理器模式
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； •当处理器遇到没有定义或不支持的指令时，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2种不同级 别的中断作出响应。
2.9 ARM体系的存储系统 体系的存储系统
ARM7的规范定义 了局部总线的信号 和时序。
ARM7 处理器核 存储器 管理器
各芯片生产厂商制 定了自己的外部总 线的信号和时序。
存储器
2.9 ARM体系的存储系统
地址空间
ARM结构使用单个平面的 ARM 结构使用单个平面的 232 个 8 位字节 地址空间 。 结构使用单个平面的2 位字节地址空间 地址空间。 32位字 位字， 16位半 地址空间可以看作是包含2 地址空间可以看作是包含230个32位字，或231个16位半 如果地址向上或向下溢出地址空间， 字 。 如果地址向上或向下溢出地址空间 ， 通常会发生 翻转。 翻转。 注意：如果在取指操作时地址发生溢出， 注意 ： 如果在取指操作时地址发生溢出 ， 只要没 有执行预取的无效指令，就不会导致异常。 有执行预取的无效指令，就不会导致异常。
权模式下访问。此外，特权模式可以自由的切换处理器模式， 权模式下访问。此外，特权模式可以自由的切换处理器模式， 而用户模式不能直接切换到别的模式。 而用户模式不能直接切换到别的模式。 这两种模式都不能由异常进入，想要进入必须修改CPSR， 这两种模式都不能由异常进入，想要进入必须修改CPSR， 而且它们使用完全相同的寄存器组。系统模式是特权模式 是特权模式， 而且它们使用完全相同的寄存器组。系统模式是特权模式，不 受用户模式的限制。 受用户模式的限制。操作系统在该模式下访问用户模式的寄存 器就比较方便， 器就比较方便，而且操作系统的一些特权任务可以使用这个模 式访问一些受控的资源。 式访问一些受控的资源。
2.9 ARM体系的存储系统 体系的存储系统
存储器格式
……
A+3
小端存储模 式下， 式下， 0x12345678 在A地址开ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 的一个字空间 的存储； 的存储；
1
0x12 0x34 0x56 0x78
A+2 A+1 A
……
存储器
存储器系统有两种映射机制：小端存储器系统：在小端格式中，数据的高字节存放在高地址中。 存储器系统有两种映射机制：小端存储器系统：在小端格式中，数据的高字节存放在高地址中。 大端存储器系统： 在大端格式中，数据的高字节存放在低地址中。 大端存储器系统： 在大端格式中，数据的高字节存放在低地址中。
方式 半字对齐 …… 0x4002 0x4004 …… Bit0=0 其他位为任意值 字对齐 …… 0x4004 0x4008 …… Bit1=0,Bit0=0 其他位为任意值
地址
特征
ARM处理器使用流水线来增加处理器指 ARM处理器使用流水线来增加处理器指 令流的速度，这样可使几个操作同时进行， 令流的速度，这样可使几个操作同时进行， 并使处理和存储器系统连续操作， 并使处理和存储器系统连续操作，能提供 0.9MIPS/MHz的指令执行速度 0.9MIPS/MHz的指令执行速度。 的指令执行速度。
2.1 ARM简介 简介
ARM7系列简介 ARM7系列简介
该系列包括ARM7TDMI、ARM7TDMI该系列包括ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、带有高速 缓存处理器宏单元的ARM720T和扩充了Jazelle的 ARM720T和扩充了Jazelle 缓存处理器宏单元的ARM720T和扩充了Jazelle的 ARM7EJARM7EJ-S。该系列处理器提供Thumb 16位压缩指令 该系列处理器提供Thumb 16位压缩指令 集和EmbededICE软件调试方式 软件调试方式， 集和EmbededICE软件调试方式，适用于更大规模的 SoC设计中 SoC设计中。 设计中。 ARM7系列广泛应用于多媒体和嵌入式设备， ARM7系列广泛应用于多媒体和嵌入式设备，包括 系列广泛应用于多媒体和嵌入式设备 Internet设备 网络和调制解调器设备，以及移动电话、 Internet设备、网络和调制解调器设备，以及移动电话、 设备、 PDA等无线设备 PDA等无线设备。 等无线设备。
ARM处理器采用冯 诺依曼（ ARM 处理器采用冯 · 诺依曼 （ Von Neumann） 结构 ， 指令 、 数据和 处理器采用冯· Neumann ） 结构， 指令、 I/O统一编址（即存在同一个空间）。只有装载、保存和交换指令可访问 I/O统一编址 即存在同一个空间） 只有装载、 统一编址（ 存储器中的数据。 存储器中的数据。 ARM芯片一般在处理器核和外部存储器之间有一个存储器管理部 ARM 芯片一般在处理器核和外部存储器之间有一个存储器管理部 件将局部总线的信号和时序转换为现实的外部总线信号和时序。 件将局部总线的信号和时序转换为现实的外部总线信号和时序。
2.2 ARM7TDMI
ARM7TDMI-S
ARM7TDMI 的可综合（synthesizable） 版本（软核），对应用工程师来说其编 程模型与ARM7TDMI 一致； 支持EmbededICE观察硬件； 支持64位乘法； 支持片上调试； 支持高密度16位的Thumb指令集；
2.2 ARM7TDMI
CODE16
ARM指令集
LDR BX CODE32 Lable MOV
R0, =Lable R0
地址最低位为 0，表示切换 到ARM状态 执行完BX指令，处 理器切换到ARM状 态，开始执行ARM 指令
Thumb 指令集
R1, #10
指令集关系
程序代码
这五种模式称为异常模式。它们除了可以通过程序切换进入外， 这五种模式称为异常模式。它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， 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， 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。 出时用户模式的状态不可靠。 除用户模式外，其它模式均为特权模式 ARM内部寄存器 特权模式。 除用户模式外，其它模式均为特权模式。ARM内部寄存器 和一些片内外设在硬件设计上只允许（或者可选为只允许） 和一些片内外设在硬件设计上只允许（或者可选为只允许）特
R0, =Lable+1 R0
地址最低位为1， 表示切换到 Thumb状态 执行完BX指令，处 理器切换到ARM状 态，开始执行ARM 指令
Thumb 指令集
R1, #12
指令集关系
程序代码
2.4 ARM处理器状态 处理器状态
状态切换的一个例子