arm体系结构及编程模型

《arm体系结构及编程模型》由会员分享，可在线阅读，更多相关《arm体系结构及编程模型（53页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、13C H A P T E RARM体系结结构 及编编程模型122 21 13 34 4ARM 处处理器的寄存器组织组织ARM处处理器的工作模式ARM微处处理器系列5 56 6ARM 异常处处理ARM处处理器的工作状态态ARM处处理器的存储储器格式23ARM微处理器系列 qARM7系列qARM9系列qARM9E系列qARM10E系列qSecurCore系列qIntel的Xscaleq其中，ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10为 4个通用处理器系列，每一个系列提供一套相对独特的性能 来满足不同应用领域的需求。SecurCore系列专门为 安全要求较高的应用而设计。 34ARM7微处理器系列

2、 qARM7系列是低功耗的32位RISC处理器，最适合用 于对价位和功耗要求较高的消费类应用。ARM7系列有如 下特点： 具有嵌入式ICERT逻辑，调试开发方便；极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式产品；能够提供0.9MIPS/ MHz的三级流水线结构；兼容16位的Thumb指令集，代码密度高；对操作系统的支持广泛，如Windows CE、Linux、 Palm OS等；指令系统与ARM9系列、ARM9E系列和ARM10E系列 兼容，便于用户的产品升级换代；主频最高可达130M，高速的运算处理能力能胜任绝大多数 的复杂应用。45ARM7微处理器系列q主要应用领域：工业控制、Inter

3、net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。qARM7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：T：支持16位压缩指令集Thumb；D：支持片上Debug；M：内嵌硬件乘法器（Multiplier）I：嵌入式ICE，支持片上断点和调试点；56ARM微处理器的工作状态 q 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

4、ARM 指令；Thumb状态，此时处理器执行16位的、半字对 齐的Thumb指令。 67ARM与THUMBq THUMB指令是ARM指令的子集q 可以相互调用，只要遵循一定的调用规则q Thumb指令与ARM指令的时间效率和空间效率关系为: 存储空间约为ARM代码的6070 指令数比ARM代码多约3040 存储器为32位时ARM代码比Thumb代码快约40 存储器为16位时Thumb比ARM代码快约4050 使用Thumb代码，存储器的功耗会降低约3078状态切换方法 q 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，q 在开始执行代码时，处于ARM状态

5、。89进入Thumb状态q 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。q 当处理器处于Thumb状态时发生异常（如IRQ、FIQ、 Undef、Abort、SWI等），则异常处理返回时，自动切 换到Thumb状态。910切换到ARM状态q 当操作数寄存器的状态位为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。q 在处理器进行异常处理时，把PC指针放入异常模式链 接寄存器中，并从异常向量地址开始执行程序，也可 以使处理器切换到ARM状态。1011处理器模式q usr：ARM处理器正常的程序执行状态q

6、fiq：用于高速数据传输或通道处理q irq：用于通用的中断处理q svc：操作系统使用的保护模式q abt：用于虚拟存储及存储保护q sys：运行具有特权的操作系统任务q und：当出现未定义指令终止时进入该模式1112用户模式和特权模式q 除了用户模式之外的其他6种处理器模式称为特权模式q 特权模式下，程序可以访问所有的系统资源，也可以 任意地进行处理器模式的切换。q 特权模式中，除系统模式外，其他5种模式又称为异常模式q 大多数的用户程序运行在用户模式下，此时，应用程 序不能够访问一些受操作系统保护的系统资源，应用 程序也不能直接进行处理器模式的切换。q 用户模式下，当需要进行处理器模式

7、切换时，应用程 序可以产生异常处理，在异常处理中进行处理器模式 的切换。1213模式切换q 处理器模式可以通过软件进行切换，也可以通过外部 中断或者异常处理过程进行切换。 q 当应用程序发生异常中断时，处理器进入相应的异常 模式。在每一种异常模式下都有一组寄存器，供相应 的异常处理程序使用，这样就可以保证在进入异常模 式时，用户模式下的寄存器不被破坏。 q 系统模式并不是通过异常进入的，它和用户模式具有 完全一样的寄存器。但是系统模式属于特权模式，可 以访问所有的系统资源，也可以直接进行处理器模式 切换。它主要供操作系统任务使用。通常操作系统的 任务需要访问所有的系统资源，同时该任务仍然使用

8、用户模式的寄存器组，而不是使用异常模式下相应的 寄存器组，这样可以保证当异常中断发生时任务状态 不被破坏。 1314ARM微处理器的存储器格式 q ARM体系结构所支持的最大寻址空间为4GB（232字节）q 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。q ARM体系结构可以用两种方法存储字数据，称之为大端 格式和小端格式 1415ARM体系结构的存储器格式大端格式 q 在这种格式中，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1516ARM体系结构的存储器格

9、式小端格式 q 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1617寄存器组织 nARM微处理器共有37个32位寄存器，其中31个为通 用寄存器，6个为状态寄存器。但是这些寄存器不 能被同时访问，具体哪些寄存器是可编程访问的， 取决微处理器的工作状态及具体的运行模式。但在 任何时候，通用寄存器R14R0、程序计数器PC、 一个或两个状态寄存器都是可访问的。 1718ARM状态下的寄存器组织 q 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)1819ARM状态下的寄存器组

10、织1920未分组寄存器R0R7q 在所有的运行模式下，未分组寄存器都指向同一个物理寄 存器，他们未被系统用作特殊的用途，因此，在中断或异 常处理进行运行模式转换时，由于不同的处理器运行模式 均使用相同的物理寄存器，可能会造成寄存器中数据的破 坏，这一点在进行程序设计时应引起注意。2021分组寄存器R8R12q 每次所访问的物理寄存器与处理器当前的运行模式有关q R8R12：每个寄存器对应两个不同的物理寄存器 当使用fiq模式时，访问寄存器R8_fiqR12_fiq； 当使用除fiq模式以外的其他模式时，访问寄存器R8_usr R12_usr。2122分组寄存器R13R14q R13、R14：每

11、个寄存器对应6个不同的物理寄存器q 其中的一个是用户模式与系统模式共用，另外5个物理寄 存器对应于其他5种不同的运行模式q 采用以下的记号来区分不同的物理寄存器： R13_ R14_q mode为以下几种之一：usr、fiq、irq、svc、abt、und。2223堆栈指针R13q R13在ARM指令中常用作堆栈指针，但这只是一种习惯用 法，用户也可使用其他的寄存器作为堆栈指针。q 在Thumb指令集中，某些指令强制性的要求使用R13作为 堆栈指针。q 由于处理器的每种运行模式均有自己独立的物理寄存器 R13，在初始化部分，都要初始化每种模式下的R13，这 样，当程序的运行进入异常模式时，可以

12、将需要保护的寄 存器放入R13所指向的堆栈，而当程序从异常模式返回时 ，则从对应的堆栈中恢复。 2324子程序连接寄存器R14q R14也称作子程序连接寄存器或连接寄存器LR。当执行 BL子程序调用指令时，可以从R14中得到R15（程序计数 器PC）的备份。其他情况下，R14用作通用寄存器。q 在每一种运行模式下，都可用R14保存子程序的返回地址 ，当用BL或BLX指令调用子程序时，将下一条指令的地址 值拷贝给R14，执行完子程序后，又将R14的值拷贝回PC ，即可完成子程序的调用返回。BLSUB1 SUB1:STMFD SP!, , LR /*将R14存入堆栈*/ LDMFDSP！,PC/*

13、完成子程序返回 */ 2425程序计数器PC(R15)q ARM状态下，位1:0为0，位31:2用于保存PC；q Thumb状态下，位0为0，位31:1用于保存PC；q R15虽然也可用作通用寄存器，但一般不这么使用，因为 对R15的使用有一些特殊的限制，当违反了这些限制时， 程序的执行结果是未知的。q 由于ARM体系结构采用了多级流水线技术，对于ARM 指令集而言，PC总是指向当前指令的下两条指令的地址 ，即PC的值为当前指令的地址值加8个字节。2526程序状态寄存器(CPSR/SPSR)n CPSR(当前程序状态寄存器)，CPSR可在任 何运行模式下被访问，它包括条件标志位 、中断禁止位、

14、当前处理器模式标志位， 以及其他一些相关的控制和状态位。q 每一种异常模式下又都有一个专用的物理状态寄存器，称 为SPSR(备份的程序状态寄存器），异常发生时，SPSR用 于保存CPSR的值，从异常退出时则可由SPSR来恢复CPSR。q 由于用户模式和系统模式不属于异常模式，他们没有SPSR ，当在这两种模式下访问SPSR，结果是未知的。2627Thumb状态下的寄存器组织 nThumb状态下的寄存器集是ARM状态下寄存器集的一 个子集q 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。q 同样，每一种特权模式下都有一组SP、L

15、R和SPSR。 2728Thumb状态下的寄存器组织图2829Thumb状态下的寄存器与ARM状态下的寄 存器关系q Thumb状态下和ARM状态下的R0R7是相同的。q Thumb状态下和ARM状态下的CPSR和所有的SPSR是相同的。q Thumb状态下的SP对应于ARM状态下的R13。q Thumb状态下的LR对应于ARM状态下的R14。q Thumb状态下的程序计数器对应于ARM状态下R15。2930Thumb状态下的寄存器与ARM状态下的寄 存器关系图3031访问THUMB状态下的高位寄存器（Hi- registers） n在Thumb状态下，高位寄存器R8R15并不是标准寄 存器集

16、的一部分，但可使用汇编语言程序受限制的 访问这些寄存器，将其用作快速的暂存器。n使用带特殊变量的MOV指令，数据可以在低位寄存器和高 位寄存器之间进行传送；高位寄存器的值可以使用CMP和 ADD指令进行比较或加上低位寄存器中的值。 3132程序状态寄存器 q ARM体系结构包含一个当前程序状态寄存器（CPSR）和五 个备份的程序状态寄存器（SPSRs）。备份的程序状态寄 存器用来进行异常处理，其功能包括： 保存ALU中的当前操作信息 控制允许和禁止中断 设置处理器的运行模式3233程序状态寄存器的每一位的安排 3334程序状态寄存器的条件码标志 nN、Z、C、V均为条件码标志位。它们的内容 可被算术或逻辑运算的结果所改变，并且可 以决定某条指令是否被执行q 在ARM状态下，绝大多数的指令都是有条件执行的。q 在Thumb状态下，仅有分支指令是有条件执行的。 3435标志位的含义标志 位含 义N当用两个补码表示的带符号数进行运算