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1、嵌入式系统设计大学教程,第四章 ARM处理器 编程模型与指令系统,主要内容,4.1 ARM微处理器的工作状态 4.2 ARM微处理器的运行模式 4.3 ARM体系结构的存储器格式 4.4 寄存器组织 4.5 ARM的异常 4.6 ARM微处理器的指令系统基础 4.7 ARM指令的寻址方式 4.8 ARM指令集 4.9 Thumb指令及应用,4.1 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： ARM状态：此时处理器执行32位的字对齐的ARM指令 Thumb状态：此时处理器执行16位的、半字对齐的Thumb指令,4.1 ARM微处理器的工
2、作状态,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ARM状态：当操作数寄存器的状态位（位0）为0时，执行BX指令时可以使微处理器从Thumb状态切换到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。,主要内容,4.1 ARM微处理器的工作状态 4.2 ARM微处理器的运行模式 4.3 ARM体系结构的存储器格式 4.4 寄存器组织 4.5 ARM的异常 4.6 ARM微处理器的指令系统基础 4.7
3、ARM指令的寻址方式 4.8 ARM指令集 4.9 Thumb指令及应用,4.2 ARM微处理器的运行模式,ARM微处理器支持7种运行模式，分别为： 1.用户模式(usr):ARM处理器正常的程序执行状态； 2.快速中断模式(fiq):用于高速数据传输或通道处理； 3.外部中断模式(irq):用于通用的中断处理； 4.管理模式(supervisor):操作系统使用的保护模式； 5.数据访问终止模式(abort):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； 6.系统模式(system):运行具有特权的操作系统任务； 7.未定义指令中止模式(undefined):当未定义的指令执
4、行时进入该模式，可用于支持硬件协处理器的软件仿真。,4.2 ARM微处理器的运行模式,除用户模式以外，其余的所有6种模式称之为非用户模式，或特权模式（Privileged Modes）； 除用户模式和系统模式以外的5种又称为异常模式（Exception Modes），常用于处理中断或异常，以及需要访问受保护的系统资源等情况。,主要内容,4.1 ARM微处理器的工作状态 4.2 ARM微处理器的运行模式 4.3 ARM体系结构的存储器格式 4.4 寄存器组织 4.5 ARM的异常 4.6 ARM微处理器的指令系统基础 4.7 ARM指令的寻址方式 4.8 ARM指令集 4.9 Thumb指令及应
5、用,4.3 ARM体系结构的存储器格式,ARM体系结构可以用两种方法存储字数据 大端格式：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。,4.3 ARM体系结构的存储器格式,ARM体系结构可以用两种方法存储字数据 小端格式：与大端存储格式相反，在小端存储格式中，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。,主要内容,4.1 ARM微处理器的工作状态 4.2 ARM微处理器的运行模式 4.3 ARM体系结构的存储器格式 4.4 寄存器组织 4.5 ARM的异常 4.6 ARM微处理器的指令系统基础 4.7 ARM指令的寻址方式 4.8 ARM指令集 4.9 T
6、humb指令及应用,4.4 寄存器组织,4.4.1 ARM状态下的寄存器组织 通用寄存器 ：通用寄存器包括R0R15，可以分为三类： 未分组寄存器R0R7 分组寄存器R8R14 程序计数器PC（R15）,ARM状态下的寄存器组织,4.4 寄存器组织,4.4.1 ARM状态下的寄存器组织 状态寄存器 当前程序状态寄存器（Current Program Status Register，CPSR） 备份的程序状态寄存器（Saved Program Status Register，SPSR）,4.4 寄存器组织,程序状态寄存器格式,4.4 寄存器组织,4.4.2 Thumb状态下的寄存器组织 Thum
7、b状态下的寄存器集是ARM状态下寄存器集的一个子集，程序可以直接访问8个通用寄存器（R7R0）、程序计数器（PC）、堆栈指针（SP）、连接寄存器（LR）和CPSR。,Thumb状态下的寄存器组织与ARM状态下的寄存器组织的关系,4.4 寄存器组织,Thumb状态下的寄存器组织与ARM状态下的寄存器组织的关系： Thumb状态下和ARM状态下的R0R7是相同的； Thumb状态下的SP对应于ARM状态下的R13； Thumb状态下的LR对应于ARM状态下的R14； Thumb状态下的程序计数器对应于ARM状态下R15； Thumb状态下和ARM状态下的CPSR和所有的SPSR是相同的,Thumb
8、状态下的寄存器组织,主要内容,4.1 ARM微处理器的工作状态 4.2 ARM微处理器的运行模式 4.3 ARM体系结构的存储器格式 4.4 寄存器组织 4.5 ARM的异常 4.6 ARM微处理器的指令系统基础 4.7 ARM指令的寻址方式 4.8 ARM指令集 4.9 Thumb指令及应用,4.5 ARM的异常,当正常的程序执行流程发生暂时的停止时，称之为异常 。 在处理异常之前，当前处理器的状态必须保留 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 异常与中断的概念并不完全等同,4.5 ARM的异常,4.5.1 ARM体系结构所支持的异常类型 在ARM体系结构中，异常中断用
9、来处理软件中断、未定义指令陷阱（不是真正的“意外”事件）、系统复位功能（在逻辑上发生在程序执行前而不是程序执行中）和外部事件。这些“不正常”事件都被划归“异常”，因为在处理器的控制机制中，它们都使用同样的流程进行异常处理。,4.5 ARM的异常,ARM异常按引起异常事件的不同可分为以下3类 ： 指令执行引起的直接异常 指令执行引起的间接异常 外部产生的与指令流无关的异常,ARM体系结构所支持的异常,异常向量（Exception Vectors）,4.5 ARM的异常,4.5.3 对异常的响应 ARM微处理器对异常的响应过程如下： 1、将下一条指令的地址存入相应的连接寄存器LR，以便程序在处理异
10、常返回时能从正确的位置重新开始执行； 2、将CPSR复制到相应的SPSR中； 3、设置当前状态寄存器CPSR中的相应位； 4、给程序计数器（PC）强制赋值，使程序从相应的异常向量地址开始执行中断处理程序 ；,4.5 ARM的异常,4.5.4 从异常返回 ARM微处理器会执行以下操作从异常返回: 1、所有修改过的用户寄存器必须从处理程序的保护堆栈中恢复（出栈）； 2、将连接寄存器LR的值减去相应的偏移量送到PC中； 3、将SPSR_mode寄存器内容复制回CPSR中，使得CPSR从相应的SPSR中恢复，即恢复被中断的程序工作状态； 4、若在进入异常处理时设置了中断禁止位，要在此清除。,4.5 A
11、RM的异常,4.5.4 从异常返回 为确保指令总是按正确的操作模式读取，以保证存储器保护方案不被绕过，还有更加微妙的困难。因此，ARM提供了2种返回处理机制 第一种机制：返回地址保存在R14 ； 第二种机制：异常处理程序把返回地址拷贝到堆栈（在这种情况下，SPSR也和PC一样必须保存），可使用一条多寄存器传送指令来恢复用户寄存器，并实现返回：,4.5 ARM的异常,4.5.5 各类异常的具体描述 1、未定义指令异常（Undefined Instruction ） 2、软件中断异常（Software Interrupt ） 3、中止异常（Abort ） 4、快速中断请求异常（Fast Inter
12、rupt Request，FIQ ） 5、外部中断请求异常（Interrupt Request，IRQ ）,4.5 ARM的异常,4.5.6 异常的进入/退出,4.5 ARM的异常,4.5.7 异常优先级（Exception Priorities）,主要内容,4.1 ARM微处理器的工作状态 4.2 ARM微处理器的运行模式 4.3 ARM体系结构的存储器格式 4.4 寄存器组织 4.5 ARM的异常 4.6 ARM微处理器的指令系统基础 4.7 ARM指令的寻址方式 4.8 ARM指令集 4.9 Thumb指令及应用,4.6 ARM微处理器的指令系统基础,4.6.1 指令长度及数据类 ARM
13、微处理器的指令长度可以是32位（在ARM状态下），也可以为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）。,4.6 ARM微处理器的指令系统基础,4.6.2 ARM微处理器的指令的分类与格式 指令分类简述 ARM微处理器指令集是加载/存储型的； ARM微处理器的指令集可以分为跳转指令、数据处理指令、程序状态寄存器处理指令、Load/Store指令、协处理器指令和异常产生指令六大类；,4.6 ARM微处理器的指令系统基础,4.6.2 ARM微处理器的指令
14、的分类与格式 指令格式 ARM指令使用的基本格式： S ， ，,4.6 ARM微处理器的指令系统基础,4.6.2 ARM微处理器的指令的分类与格式 指令格式使用举例: LDR R0，R1 BEQ DATAEVEN ADDS R2，R1，#1 SUBNES R2，R1，#0x20,指令的条件域,主要内容,4.1 ARM微处理器的工作状态 4.2 ARM微处理器的运行模式 4.3 ARM体系结构的存储器格式 4.4 寄存器组织 4.5 ARM的异常 4.6 ARM微处理器的指令系统基础 4.7 ARM指令的寻址方式 4.8 ARM指令集 4.9 Thumb指令及应用,4.7 ARM指令的寻址方式,
15、4.7.1 立即寻址 也叫立即数寻址，是一种特殊的寻址方式，操作数本身就在指令中给出，只要取出指令也就取到了操作数。这个操作数被称为立即数，对应的寻址方式也就叫做立即寻址。 例如以下指令： ADD R0，R0，#1 ；R0R01 ADD R0，R0，#0x3f ；R0R00x3f,4.7 ARM指令的寻址方式,4.7.2 寄存器寻址 寄存器寻址就是利用寄存器中的数值作为操作数，指令中地址码给出的是寄存器编号。 例如以下指令： ADD R0，R1，R2 ；R0R1R2,4.7 ARM指令的寻址方式,4.7.3 寄存器间接寻址 寄存器间接寻址就是以寄存器中的值作为操作数的地址（这个寄存器相当于指针
16、的作用，在基址加变址的寻址方式中，它作为基址寄存器来存放基址地址），而操作数本身存放在存储器中。 例如以下指令： ADD R0，R1，R2 ；R0R1R2 LDR R0，R1 ；R0R1 STR R0，R1 ；R1R0,4.7 ARM指令的寻址方式,4.7.4 基址变址寻址 基址变址寻址就是将寄存器（该寄存器一般称作基址寄存器）的内容与指令中给出的地址偏移量相加，从而得到一个操作数的有效地址，用于访问基址附近的存储器单元。,4.7 ARM指令的寻址方式,4.7.4 基址变址寻址 变址寻址方式可分为 : 前变址模式 LDR R0，R1，#4 ；R0R14 自动变址模式 LDR R0，R1，#4！；R0R14、R1R14 后变址模式 LDR R0，R1，#4 ；R0R1、R1R14 偏移地址 LDR R0，R1，R2 ；R0R1R2 LDR R0，R1，R2，LSL#2 ；R0R1R2 * 4,4.7 ARM指令
