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1、嵌入式系统设计,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微处理器的工作状态,
2、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。,处理器的工作状态,例： 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,主要内容,4.1 ARM微处理
3、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,4.2 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
4、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。,处理器工作模式,ARM处理器有7种工作模式,主要内容,4.1 ARM微处理器的工作状态 4.2 AR
5、M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,4.3 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。,示例,A. 小端存储法(0 x01234
6、567),B. 大端存储法,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,4.4 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,处理器工作模式,特权模式,处理器工作模式,用户和系统模式,ARM状态各模式下的寄存器,
7、ARM状态各模式下的寄存器,所有的37个寄存器，分成两大类： 31个通用32位寄存器； 6个状态寄存器。,ARM状态各模式下可以访问的寄存器,一般的通用寄存器,在汇编语言中寄存器R0R13为保存数据或地址值的通用寄存器。它们是完全通用的寄存器，不会被体系结构作为特殊用途，并且可用于任何使用通用寄存器的指令。,一般的通用寄存器,其中R0R7为未分组的寄存器，也就是说对于任何处理器模式，这些寄存器都对应于相同的32位物理寄存器。,一般的通用寄存器,寄存器R8R14为分组寄存器。它们所对应的物理寄存器取决于当前的处理器模式，几乎所有允许使用通用寄存器的指令都允许使用分组寄存器,一般的通用寄存器,寄存
8、器R8R12有两个分组的物理寄存器。一个用于除FIQ模式之外的所有寄存器模式，另一个用于FIQ模式。这样在发生FIQ中断后，可以加速FIQ的处理速度。,一般的通用寄存器,寄存器R13、R14分别有6个分组的物理寄存器。一个用于用户和系统模式，其余5个分别用于5种异常模式。,堆栈指针寄存器R13（SP）,寄存器R13常作为堆栈指针（SP）。在ARM指令集当中，没有以特殊方式使用R13的指令或其它功能，只是习惯上都这样使用。但是在Thumb指令集中存在使用R13的指令。,链接寄存器R14（LR）,R14为链接寄存器（LR），在结构上有两个特殊功能： 在每种模式下，模式自身的R14版本用于保存子程序
9、返回地址； 当发生异常时，将R14对应的异常模式版本设置为异常返回地址（有些异常有一个小的固定偏移量）。,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 Thumb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
10、（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
11、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
12、。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
13、、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 ARM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
14、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 Interrupt Request，FIQ ） 5、外部中断请求异常（Interrupt Request，IRQ ）,4.5 ARM的
15、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）、
16、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，#0
