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1、第3章 目录,1.简介 2.ARM7TDMI 3.ARM7TDMI的模块和内部框图 4.体系结构直接支持的数据类型 5.处理器状态 6.处理器模式 7.内部寄存器 8. 程序状态寄存器,9.异常 10.中断延迟 11.复位 12.存储器及存储器映射I/O 13.寻址方式简介 14.ARM7指令简介 15.协处理器接口 16.调试接口简介 17.ETM接口简介,3.9 异常,简介,只要正常的程序流被暂时中止，处理器就进入异常模式。例如响应一个来自外设的中断。在处理异常之前，ARM7TDMI内核保存当前的处理器状态，这样当处理程序结束时可以恢复执行原来的程序。 如果同时发生两个或更多异常，那么将按
2、照固定的顺序来处理异常，详见“异常优先级”部分。,异常入口/出口汇总,注意：“MOVS PC,R14_svc”是指在管理模式执行MOVS PC,R14指令。“MOVS PC,R14_und”、“SUBS PC,R14_abt,#4”等指令也是类似的。,3.9 异常,异常的入口和出口处理,如果异常处理程序已经把返回地址拷贝到堆栈，那么可以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。,SUB LR,LR,#4;计算返回地址 STMFD SP!,R0-R3,LR;保存使用到的寄存器 . . . LDMFD SP!,R0-R3,PC;中断返回,中断处理代码的开始部分和退出部分,如果异常处理程序
3、已经把返回地址拷贝到堆栈，那么可以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。,中断处理代码的开始部分和退出部分,3.9 异常,异常的入口和出口处理,SUB LR,LR,#4;计算返回地址 STMFD SP!,R0-R3,LR;保存使用到的寄存器 . . . LDMFD SP!,R0-R3,PC;中断返回,注意：中断返回指令的寄存器列表（其中必须包括PC）后的“”符号表示这是一条特殊形式的指令。这条指令在从存储器中装载PC的同时（PC是最后恢复的），CPSR也得到恢复。这里使用的堆栈指针SP（R13）是属于异常模式的寄存器，每个异常模式有自己的堆栈指针。这个堆栈指针应必须在系统启动时初
4、始化。,3.9 异常,进入异常,在异常发生后，ARM7TDMI内核会作以下工作：,1.在适当的LR中保存下一条指令的地址，当异常入口来自： ARM状态，那么ARM7TDMI将当前指令地址加4或加8复制（取决于异常的类型）到LR中； 为Thumb状态，那么ARM7TDMI将当前指令地址加4或加8 （取决于异常的类型）复制到LR中；异常处理器程序不必确定状态。,3.9 异常,进入异常,在异常发生后，ARM7TDMI内核会作以下工作：,2.将CPSR复制到适当的SPSR中； 3. 将CPSR模式位强制设置为与异常类型相对应的值； 4.强制PC从相关的异常向量处取指。,ARM7TDMI内核在中断异常时
5、置位中断禁止标志，这样可以防止不受控制的异常嵌套。 注：异常总是在ARM状态中进行处理。当处理器处于Thumb状态时发生了异常，在异常向量地址装入PC时，会自动切换到ARM状态。,3.9 异常,进入异常,当异常结束时，异常处理程序必须： 1.将LR中的值减去偏移量后存入PC，偏移量根据异常的类型而有所不同； 2.将SPSR的值复制回CPSR； 3.清零在入口置位的中断禁止标志。 注：恢复CPSR的动作会将T、F和I位自动恢复为异常发生前的值。,3.9 异常,退出异常,图示进入异常过程,1. 程序在系统模式下运行用户程序，假定当前处理器状态为Thumb状态、允许IRQ中断；,2. 用户程序运行时
6、发生IRQ中断，硬件完成以下动作：,置位I位（禁止IRQ中断） 清零T位（进入ARM状态） 设置MOD位，切换处理器模式至IRQ模式,将下一条指令的地址存入IRQ模式的LR寄存器,将CPSR寄存器内容存入IRQ模式的SPSR寄存器,将跳转地址存入PC，实现跳转,BackAddr,JumpAddr,“?”表示对该位不关心,在异常处理结束后，异常处理程序完成以下动作：,图示退出异常过程,将SPSR寄存器的值复制回CPSR寄存器；,将LR寄存的值减去一个常量后复制到PC寄存器，跳转到被中断的用户程序。,BackAddr,JumpAddr,return,BackAddr-4,“?”表示对该位不关心,快
7、速中断请求(FIQ)适用于对一个突发事件的快速响应，这得益于在ARM状态中，快中断模式有8个专用的寄存器可用来满足寄存器保护的需要（这可以加速上下文切换的速度）。 不管异常入口是来自ARM状态还是Thumb状态，FIQ处理程序都会通过执行下面的指令从中断返回： SUBS PC,R14_fiq,#4 在一个特权模式中，可以通过置位CPSR中的F位来禁止FIQ异常。,3.9 异常,快速中断请求,中断请求（IRQ）异常是一个由nIRQ输入端的低电平所产生的正常中断（在具体的芯片中，nIRQ由片内外设拉低，nIRQ是内核的一个信号，对用户不可见）。IRQ的优先级低于FIQ。对于FIQ序列它是被屏蔽的。
8、任何时候在一个特权模式下，都可通过置位CPSR中的I 位来禁止IRQ。 不管异常入口是来自ARM状态还是Thumb状态，FIQ处理程序都会通过执行下面的指令从中断返回： SUBS PC,R14_fiq,#4,3.9 异常,中断请求,中止发生在对存储器的访问不能完成时，中止包含两种类型： 预取中止 发生在指令预取过程中 数据中止 发生在对数据访问时,3.9 异常,中止,当发生预取中止时，ARM7TDMI内核将预取的指令标记为无效，但在指令到达流水线的执行阶段时才进入异常。如果指令在流水线中因为发生分支而没有被执行，中止将不会发生。 在处理中止的原因之后，不管处于哪种处理器操作状态，处理程序都会执
9、行下面的指令恢复PC和CPSR并重试被中止的指令： SUBS PC,R14_abt,#4,3.9 异常,中止预取指中止,当发生数据中止后，根据产生数据中止的指令类型作出不同的处理：,3.9 异常,中止数据中止,数据转移指令（LDR、STR）回写到被修改的基址寄存器。中止处理程序必须注意这一点； 交换指令（SWP）中止好像没有被执行过一样（中止必须发生在SWP指令进行读访问时） ；,块数据转移指令（LDM,STM）完成。 当回写被设置时，基址寄存器被更新。在指示出现中止后，ARM7TDMI内核防止所有寄存器被覆盖。这意味着ARM7TDMI内核总是会保护被中止的LDM指令中的R15（总是最后一个被
10、转移的寄存器）。,3.9 异常,中止数据中止,当发生数据中止后，根据产生数据中止的指令类型作出不同的处理：,在修复产生中止的原因后，不管处于哪种处理器操作状态，处理程序都必须执行下面的返回指令 ： SUBS PC,R14_abt,#8,3.9 异常,中止数据中止,使用软件中断(SWI)指令可以进入管理模式，通常用于请求一个特定的管理函数。SWI处理程序通过执行下面的指令返回： MOVS PC,R14_svc 这个动作恢复了PC和CPSR并返回到SWI之后的指令。SWI处理程序读取操作码以提取SWI函数编号。,3.9 异常,软件中断指令,当ARM7TDMI处理器遇到一条自己和系统内任何协处理器都
11、无法处理的指令时，ARM7TDMI内核执行未定义指令陷阱。软件可使用这一机制通过模拟未定义的协处理器指令来扩展ARM指令集。 注：ARM7TDMI处理器完全遵循ARM结构v4T，可以捕获所有分类未被定义的指令位格式。,3.9 异常,未定义的指令,在模拟处理了失败的指令后，陷阱程序执行下面的指令： MOVS PC,R14_svc 这个动作恢复了PC和CPSR并返回到未定义指令之后的指令。,3.9 异常,未定义的指令,异常向量,注：表中的I和F表示不对该位有影响，保留原来的指。,当多个异常同时发生时，一个固定的优先级系统决定它们被处理的顺序：,3.9 异常,异常优先级,注意： 未定义的指令和SWI
12、异常互斥。因为同一条指令不能既是未定义的，又能产生有效的软件中断； 当FIQ使能，并且FIQ和数据中止异常同时发生时，ARM7TDMI内核首先进入数据中止处理程序，然后立即跳转到FIQ向量。在FIQ处理结束后返回到数据中止处理程序。数据中止的优先级必须高于FIQ以确保数据转移错误不会被漏过。,3.9 异常,异常优先级,第3章 目录,1.简介 2.ARM7TDMI 3.ARM7TDMI的模块和内部框图 4.体系结构直接支持的数据类型 5.处理器状态 6.处理器模式 7.内部寄存器 8. 程序状态寄存器,9.异常 10.中断延迟 11.复位 12.存储器及存储器映射I/O 13.寻址方式简介 14
13、.ARM7指令简介 15.协处理器接口 16.调试接口简介 17.ETM接口简介,3.10 中断延迟,最大中断延迟,Tsyncmax，请求通过同步器的最长时间。为2个处理器周期（由内核决定）；,当FIQ使能时，最坏情况是正在执行一条装载所有寄存器的指令“LDM”（它耗时最长），同时发生了FIQ和数据中止异常，在响应FIQ中断之前要先把正在执行的指令完成，然后先进入数据中止异常，再马上跳转到FIQ异常入口，所以延迟时间包含：,3.10 中断延迟,最大中断延迟,Tldm，最长的指令执行需要的时间。Tldm在零等待状态系统中的执行时间为20个周期。注意，是在零等待状态系统中。一般的基于ARM7核的芯
14、片的存储器系统比内核速度慢，造成其不是零等待的； Texc，数据中止入口的时间。Texc为3个周期（由内核决定）； Tfiq，FIQ入口的时间。Tfiq为2个周期（由内核决定）。,3.10 中断延迟,最大中断延迟,FIQ总的延迟时间= Tsyncmax +Tldm +Texc +Tfiq=27个周期 在40MHz处理器时钟时，最大延迟时间略少于0.7us。在此时间结束后，ARM7TDMI执行位于0 x1C处的指令。 最大的IRQ延迟时间与之相似，但必须考虑到这样一种情况，当更高优先级的FIQ和IRQ同时申请时，IRQ要延迟到FIQ处理程序允许IRQ中断时才处理（可能需要对中断控制器进行相应的操
15、作）。IRQ延迟时间也要相应增加。,3.10 中断延迟,最小中断延迟,FIQ或IRQ的最小中断延迟是请求通过同步器的时间Tsyncmin加上Tfiq（共4个处理器周期）。,第3章 目录,1.简介 2.ARM7TDMI 3.ARM7TDMI的模块和内部框图 4.体系结构直接支持的数据类型 5.处理器状态 6.处理器模式 7.内部寄存器 8. 程序状态寄存器,9.异常 10.中断延迟 11.复位 12.存储器及存储器映射I/O 13.寻址方式简介 14.ARM7指令简介 15.协处理器接口 16.调试接口简介 17.ETM接口简介,3.11 复位,复位,当nRESET信号被拉低时（一般外部复位引脚
16、电平的变化和芯片的其它复位源会改变这个内核信号），ARM7TDMI处理器放弃正在执行的指令。 在复位后，除PC和CPSR之外的所有寄存器的值都不确定。,3.11 复位,复位,当nRESET信号再次变为高电平时，ARM处理器执行下列操作： 1.强制M4:0变为b10011（管理模式）； 2.置位CPSR中的I和F位； 3.清零CPSR中的T位； 4.强制PC从地址0 x00开始对下一条指令进行取指； 5.返回到ARM状态并恢复执行 。,第3章 目录,1.简介 2.ARM7TDMI 3.ARM7TDMI的模块和内部框图 4.体系结构直接支持的数据类型 5.处理器状态 6.处理器模式 7.内部寄存器 8. 程序状态寄存器,9.异常 10.中断延迟 11.复位 12.存储器及存储器映射I/O 13.寻址方式简介 14.ARM7指令简介 15.协处理器接口 16.调试接口简介 17.ETM接口简介,3.12 存储器及存储器映射I/O,简介,ARM7TDMI处理器采用冯诺依曼（Von Neumann）结构，指令和数据共用一条32位数据总线。只有装
