1、2C H A P T E RARM7體系結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)第2章 ARM7體系結(jié)構(gòu)q2.4 異常q2.5 ARM尋址方式第2章 ARM7體系結(jié)構(gòu)q2.4 異常q2.5 ARM尋址方式2.4 異常n簡介 異常是指由內(nèi)部或外部產(chǎn)生的引起處理器處理的事件，只要正常的程序被暫時中止，處理器就進(jìn)入異常模式。例如響應(yīng)一個來自外設(shè)的中斷。在處理異常之前，ARM7TDMI內(nèi)核保存當(dāng)前的處理器狀態(tài)（CPSR-SPSR），這樣當(dāng)處理程序結(jié)束時可以恢復(fù)執(zhí)行原來的程序（SPSR-CPSR）。 同一時刻可能會出現(xiàn)多個異常，如果同時發(fā)生兩個或更多異常，那么將按照固定的順序來處理異常。 異常類型異常類型說明進(jìn)入時的模式正常地址高

2、向量地址復(fù)位有復(fù)位信號輸入管理0 x0000 00000 xFFFF 0000未定義指令執(zhí)行協(xié)處理器指令時，協(xié)處理器沒有響應(yīng)未定義0 x0000 00040 xFFFF 0004軟件中斷(SWI)執(zhí)行SWI指令時管理0 x0000 00080 xFFFF 0008預(yù)取中止(指令)取指時存儲器發(fā)生中止信號中止0 x0000 000C0 xFFFF 000C數(shù)據(jù)中止讀寫數(shù)據(jù)時存儲器發(fā)生中止中止0 x0000 00100 xFFFF 0010IRQIRQ引腳輸入異常信號中斷0 x0000 00180 xFFFF 0018FIQFIQ引腳輸入異常信號快中斷0 x0000 001C0 xFFFF 001

3、C注： 發(fā)生異常后進(jìn)入高端/正常向量由硬件配置決定。 當(dāng)多個異常同時發(fā)生時，一個固定的優(yōu)先級系統(tǒng)決定它們被處理的順序：2.4 異常n異常優(yōu)先級異常類型優(yōu)先級復(fù)位1（最高優(yōu)先級）數(shù)據(jù)中止2FIQ3IRQ4預(yù)取中止5未定義指令6SWI7（最低優(yōu)先級）優(yōu)先級降低異常入口/出口匯總異常類型返回指令之前的狀態(tài)備注ARM R14_xThumb R14_xBLMOV PC,R14PC+4PC+2 此處PC為BL，SWI，為定義的指令取指或預(yù)取指中止指令的地址軟件中斷 SWIMOVS PC,R14_svcPC+4PC+2未定義的指令MOVS PC,R14_undPC+4PC+2預(yù)取指中止SUBS PC,R14

4、_abt,#4PC+4PC+4FIQ(快中斷)SUBS PC,R14_fiq,#4PC+4PC+4此處PC為由于FIQ或IRQ占先而沒有被執(zhí)行的指令的地址IRQ(中斷)SUBS PC,R14_irq,#4PC+4PC+4數(shù)據(jù)中止SUBS PC,R14_ab t,#8PC+8PC+8此處PC為產(chǎn)生數(shù)據(jù)中止的裝載或保存指令的地址。 復(fù)位無復(fù)位時保存在R14_svc中的值不可預(yù)知。 注意：“MOVS PC,R14_svc”是指在管理模式執(zhí)行MOVS PC,R14指令。“MOVS PC,R14_und”、“SUBS PC,R14_abt,#4”等指令也是類似的。2.4 異常n異常的入口和出口處理 如果

5、異常處理程序已經(jīng)把返回地址拷貝到堆棧，那么可以使用一條多寄存器傳送指令來恢復(fù)用戶寄存器并實現(xiàn)返回。SUB LR,LR,#4;計算返回地址STMFD SP!,R0-R3,LR;保存使用到的寄存器. . .LDMFD SP!,R0-R3,PC ;中斷返回中斷處理代碼的開始部分和退出部分 如果異常處理程序已經(jīng)把返回地址拷貝到堆棧，那么可以使用一條多寄存器傳送指令來恢復(fù)用戶寄存器并實現(xiàn)返回。中斷處理代碼的開始部分和退出部分2.4 異常n異常的入口和出口處理SUB LR,LR,#4;計算返回地址STMFD SP!,R0-R3,LR;保存使用到的寄存器. . .LDMFD SP!,R0-R3,PC ;中斷

6、返回注意：中斷返回指令的寄存器列表（其中必須包括PC）后的“”符號表示這是一條特殊形式的指令。這條指令在從存儲器中裝載PC的同時（PC是最后恢復(fù)的），CPSR也得到恢復(fù)。這里使用的堆棧指針SP（R13）是屬于異常模式的寄存器，每個異常模式有自己的堆棧指針。這個堆棧指針應(yīng)必須在系統(tǒng)啟動時初始化。 2.4 異常n進(jìn)入異常在異常發(fā)生后，ARM7TDMI內(nèi)核會作以下工作：1.在適當(dāng)?shù)腖R中保存下一條指令的地址，當(dāng)異常入口來自：ARM狀態(tài)，那么ARM7TDMI將當(dāng)前指令地址加4或加8復(fù)制（取決于異常的類型）到LR中；為Thumb狀態(tài)，那么ARM7TDMI將當(dāng)前指令地址加2、4或加8 （取決于異常的類型）

7、復(fù)制到LR中；異常處理器程序不必確定狀態(tài)。2.4 異常n進(jìn)入異常在異常發(fā)生后，ARM7TDMI內(nèi)核會做以下工作：2.將CPSR復(fù)制到對應(yīng)的SPSR中；3. 將CPSR模式位強(qiáng)制設(shè)置為與異常類型相對應(yīng)的值；4.強(qiáng)制PC從相關(guān)的異常向量處取指。 ARM7TDMI內(nèi)核在中斷異常時置位中斷禁止標(biāo)志，這樣可以防止不受控制的異常嵌套。注：異常總是在ARM狀態(tài)中進(jìn)行處理。當(dāng)處理器處于Thumb狀態(tài)時發(fā)生了異常，在異常向量地址裝入PC時，會自動切換到ARM狀態(tài)。2.4 異常n進(jìn)入異常當(dāng)異常結(jié)束時，異常處理程序必須：1.將LR（ R14 ）中的值減去偏移量后存入PC，偏移量根據(jù)異常的類型而有所不同；2.將SPS

8、R的值復(fù)制回CPSR；3.清零在入口置位的中斷禁止標(biāo)志。注：恢復(fù)CPSR的動作會將T、F和I位自動恢復(fù)為異常發(fā)生前的值。2.4 異常n退出異常程序AIRQ服務(wù)程序系統(tǒng)模式IRQ模式程序寄存器組圖示進(jìn)入異常過程1. 程序在系統(tǒng)模式下運(yùn)行用戶程序，假定當(dāng)前處理器狀態(tài)為Thumb狀態(tài)、允許IRQ中斷；2. 用戶程序運(yùn)行時發(fā)生IRQ中斷，硬件完成以下動作：LR_sysSPSR_irqLR_irqLRPCCPSRSPSRSYS1?0. . .? ? ? ?MODTFI. . .N Z C V置位I位（禁止IRQ中斷）清零T位（進(jìn)入ARM狀態(tài)）設(shè)置MOD位，切換處理器模式至IRQ模式將下一條指令的地址存入

9、IRQ模式的LR寄存器將CPSR寄存器內(nèi)容存入IRQ模式的SPSR寄存器將跳轉(zhuǎn)地址存入PC，實現(xiàn)跳轉(zhuǎn)IRQ0?1. . .? ? ? ?BackAddrJumpAddrJumpSYS1?0. . .?“?”表示對該位不關(guān)心在異常處理結(jié)束后，異常處理程序完成以下動作：程序AIRQ服務(wù)程序系統(tǒng)模式IRQ模式程序寄存器組圖示退出異常過程LR_sysSPSR_irqLR_irqLRPCCPSRSPSRSYS1?0. . .? ? ? ?MODTFI. . .N Z C V將SPSR寄存器的值復(fù)制回CPSR寄存器；將LR寄存的值減去一個常量后復(fù)制到PC寄存器，跳轉(zhuǎn)到被中斷的用戶程序。IRQ0?1. .

10、.? ? ? ?BackAddrJumpAddrreturnSYS1?0. . .?SYS1?0. . .? ? ? ?BackAddr-4Jump“?”表示對該位不關(guān)心 快速中斷請求(FIQ)適用于對一個突發(fā)事件的快速響應(yīng)，這得益于在ARM狀態(tài)中，快中斷模式有8個專用的寄存器可用來滿足寄存器保護(hù)的需要（這可以加速上下文切換的速度）。 不管異常入口是來自ARM狀態(tài)還是Thumb狀態(tài)，F(xiàn)IQ處理程序都會通過執(zhí)行下面的指令從中斷返回：SUBS PC,R14_fiq,#4 在一個特權(quán)模式中，可以通過置位CPSR中的F位來禁止FIQ異常。2.4 異常n快速中斷請求 中斷請求（IRQ）異常是一個由nIR

11、Q輸入端的低電平所產(chǎn)生的正常中斷（在具體的芯片中，nIRQ由片內(nèi)外設(shè)拉低，nIRQ是內(nèi)核的一個信號，對用戶不可見）。IRQ的優(yōu)先級低于FIQ。對于FIQ序列它是被屏蔽的。任何時候在一個特權(quán)模式下，都可通過置位CPSR中的I 位來禁止IRQ。 不管異常入口是來自ARM狀態(tài)還是Thumb狀態(tài)，IRQ處理程序都會通過執(zhí)行下面的指令從中斷返回：SUBS PC,R14_irq,#42.4 異常n中斷請求 中止發(fā)生在對存儲器的訪問不能完成時，中止包含兩種類型：預(yù)取中止 發(fā)生在指令預(yù)取過程中數(shù)據(jù)中止 發(fā)生在對數(shù)據(jù)訪問時2.4 異常n中止 當(dāng)發(fā)生預(yù)取中止時，ARM7TDMI內(nèi)核將預(yù)取的指令標(biāo)記為無效，但在指令

12、到達(dá)流水線的執(zhí)行階段時才進(jìn)入異常。如果指令在流水線中因為發(fā)生分支而沒有被執(zhí)行，中止將不會發(fā)生。 在處理中止的原因之后，不管處于哪種處理器操作狀態(tài)，處理程序都會執(zhí)行下面的指令恢復(fù)PC和CPSR并重試被中止的指令： SUBS PC,R14_abt,#42.4 異常n中止預(yù)取指中止 當(dāng)發(fā)生數(shù)據(jù)中止后，根據(jù)產(chǎn)生數(shù)據(jù)中止的指令類型作出不同的處理：2.4 異常n中止數(shù)據(jù)中止數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移指令（LDR、STR）回寫到被修改的基址寄存器。中止處理程序必須注意這一點；交換指令（SWP）中止好像沒有被執(zhí)行過一樣（中止必須發(fā)生在SWP指令進(jìn)行讀訪問時） ； 在修復(fù)產(chǎn)生中止的原因后，不管處于哪種處理器操作狀態(tài)，處理程序都必

13、須執(zhí)行下面的返回指令，重試被中止的指令 ： SUBS PC,R14_abt,#82.4 異常n中止數(shù)據(jù)中止 使用軟件中斷(SWI)指令可以進(jìn)入管理模式，通常用于請求一個特定的管理函數(shù)。SWI處理程序通過執(zhí)行下面的指令返回：MOVS PC,R14_svc 這個動作恢復(fù)了PC并返回到SWI之后的指令。SWI處理程序讀取操作碼以提取SWI函數(shù)編號。 2.4 異常n軟件中斷指令 當(dāng)ARM7TDMI處理器遇到一條自己和系統(tǒng)內(nèi)任何協(xié)處理器都無法處理的指令時，ARM7TDMI內(nèi)核執(zhí)行未定義指令陷阱。軟件可使用這一機(jī)制通過模擬未定義的協(xié)處理器指令來擴(kuò)展ARM指令集。2.4 異常n未定義的指令 在模擬處理了失敗

14、的指令后，陷阱程序執(zhí)行下面的指令：MOVS PC,R14_svc 這個動作恢復(fù)了PC并返回到未定義指令之后的指令。 2.4 異常n未定義的指令第2章 ARM7體系結(jié)構(gòu)q2.4 異常q2.5 ARM尋址方式2.5 ARM處理器尋址方式n尋址方式分類 尋址方式是根據(jù)指令中給出的地址碼字段來實現(xiàn)尋找真實操作數(shù)地址的方式。ARM處理器具有9種基本尋址方式。1.寄存器尋址；2.立即尋址；3.寄存器移位尋址；4.寄存器間接尋址；5.變址尋址；6.多寄存器尋址；7.堆棧尋址；8.塊拷貝尋址；9.相對尋址。 操作數(shù)的值在寄存器中，指令中的地址碼字段指出的是寄存器編號，指令執(zhí)行時直接取出寄存器值來操作。寄存器尋

15、址指令舉例如下： MOV R1,R2 ;將R2的值存入R1 SUB R0,R1,R2 ;將R1的值減去R2的值，結(jié)果保存到R0 2.5 ARM處理器尋址方式n尋址方式分類1 寄存器尋址MOV R1,R2 立即尋址指令中的操作碼字段后面的地址碼部分即是操作數(shù)本身，也就是說，數(shù)據(jù)就包含在指令當(dāng)中，取出指令也就取出了可以立即使用的操作數(shù)(這樣的數(shù)稱為立即數(shù))。立即尋址指令舉例如下： SUBSR0,R0,#1 ;R0減1，結(jié)果放入R0，并且影響標(biāo)志位MOVR0,#0 xFF000 ;將立即數(shù)0 xFF000裝入R0寄存器 2.5 ARM處理器尋址方式n尋址方式分類2 立即尋址MOV R0,#0 xFF

16、00 寄存器移位尋址是ARM指令集特有的尋址方式。當(dāng)?shù)?個操作數(shù)是寄存器移位方式時，第2個寄存器操作數(shù)在與第1個操作數(shù)結(jié)合之前，選擇進(jìn)行移位操作。寄存器移位尋址指令舉例如下：MOVR0,R2,LSL #3 ;R2的值左移3位，結(jié)果放入R0， ;即是R0=R28 ANDSR1,R1,R2,LSL R3 ;R2的值左移R3位，然后和R1相 ;“與”操作，結(jié)果放入R12.5 ARM處理器尋址方式n尋址方式分類3 寄存器移位尋址MOV R0,R2,LSL #3邏輯左移3位 寄存器間接尋址指令中的地址碼給出的是一個通用寄存器的編號，所需的操作數(shù)保存在寄存器指定地址的存儲單元中，即寄存器為操作數(shù)的地址指針

17、。寄存器間接尋址指令舉例如下： LDRR1,R2;將R2指向的存儲單元的數(shù)據(jù)讀出;保存在R1中 SWPR1,R1,R2;將寄存器R1的值和R2指定的存儲;單元的內(nèi)容交換 0 x55R0R2 0 x400000000 xAA0 x400000002.5 ARM處理器尋址方式n尋址方式分類4 寄存器間接尋址LDR R0,R20 xAA 變址尋址就是將基址寄存器的內(nèi)容與指令中給出的偏移量（4K）相加/減，形成操作數(shù)的有效地址。基址尋址用于訪問基址附近的存儲單元，常用于查表、數(shù)組操作、功能部件寄存器訪問等。寄存器間接尋址是偏移量為0的基址加偏移尋址。變址尋址指令舉例如下(前索引尋址)： LDRR2,R

18、3,#0 x0C ;讀取R3+0 x0C地址上的存儲單元 ;的內(nèi)容，放入R2 2.5 ARM處理器尋址方式n尋址方式分類5 變址尋址0 x55R2R3 0 x400000000 xAA0 x4000000CLDR R2,R3,#0 x0C0 xAA將R3+0 x0C作為地址裝載數(shù)據(jù) 變址尋址指令舉例如下： LDRR0,R1 ,#4 ;R0=R1，R1R14 ;后索引基址尋址 ;ARM這種自動索引機(jī)制不消耗額外的時間LDR R0，R1,R2 ;R0=R1+R2 ; 基址加索引尋址；2.5 ARM處理器尋址方式n尋址方式分類5 變址尋址 多寄存器尋址一次可傳送幾個寄存器值，允許一條指令傳送16個寄

19、存器的任何子集或所有寄存器。多寄存器尋址指令舉例如下： LDMIAR1!,R2-R4,R6 ;將R1指向的單元中的數(shù)據(jù)讀出到 ;R2R4、R6中(R1自動加16) STMIAR0!,R2-R4,R6 ;將寄存器R2R4、R12的值保 ;存到R0指向的存儲; 單元中 ;(R0自動加16)0 x40000000R1R20 x?0 x010 x400000000 x?R3R40 x?R60 x?0 x020 x030 x040 x400000040 x400000080 x4000000C存儲器2.5 ARM處理器尋址方式n尋址方式分類6 多寄存器尋址LDR R1!,R2-R4,R6 0 x010

20、x020 x030 x040 x40000000 堆棧是一個按特定順序進(jìn)行存取的存儲區(qū)，操作順序為“后進(jìn)先出” 。堆棧尋址是隱含的，它使用一個專門的寄存器(堆棧指針)指向一塊存儲區(qū)域(堆棧)，指針?biāo)赶虻拇鎯卧词嵌褩５臈ｍ?。存儲器堆棧可分為兩種： 向上生長：向高地址方向生長，稱為遞增堆棧向下生長：向低地址方向生長，稱為遞減堆棧2.5 ARM處理器尋址方式n尋址方式分類7 堆棧尋址2.5 ARM處理器尋址方式n尋址方式分類7 堆棧尋址棧底棧頂棧區(qū)SP堆棧存儲區(qū)棧頂棧底棧區(qū)SP向下增長向上增長0 x123456780 x12345678堆棧壓棧堆棧壓棧棧頂SP棧頂SP棧底空堆棧棧底滿堆棧 堆棧指針指向最后壓入的堆棧的有效數(shù)據(jù)項，稱為滿堆棧；堆棧指針指向下一個待壓入數(shù)據(jù)的空位置，稱為空堆棧。 2.5 ARM處理器尋址方式n尋址方式分類7 堆棧尋址0 x12345