1、第2章 ARM微處理器體系結(jié)構(gòu)電子與信息工程學院陸衛(wèi)忠2012-02-138/7/20222第2章 ARM微處理器體系結(jié)構(gòu)主要內(nèi)容2.1 引言2.2 嵌入式處理器的特點2.3 嵌入式處理器的分類2.4 嵌入式處理器的發(fā)展趨勢2.5 嵌入式處理器的選擇原則2.6 ARM微處理器概述2.7 ARM微處理器的編程模型2.8 ARM微處理器的指令系統(tǒng)USTS8/7/202232.1 引言嵌入式處理器種類繁多、千花齊放據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界嵌入式處理器的品種總量已經(jīng)超過1000多種，流行體系結(jié)構(gòu)有30幾個系列兩大主流體系結(jié)構(gòu)低檔8051（8位）體系結(jié)構(gòu)高檔ARM（32位）體系結(jié)構(gòu)嵌入式處理器的一些基本情況

2、處理速度：0.1MIPS2000MIPS尋址空間：64KB256MB常用封裝：8個引腳300個引腳 USTS8/7/202242.2 嵌入式處理器的特點硬件結(jié)構(gòu)低檔處理器多采用哈佛結(jié)構(gòu)即數(shù)據(jù)存儲空間和程序存儲空間分離較大的程序存儲器（用于固化已調(diào)試好的控制程序）較小的數(shù)據(jù)存儲器（用于存放少量的隨機數(shù)據(jù)高速）高檔處理器多采用馮諾伊曼結(jié)構(gòu)典型的微型計算機的存儲器結(jié)構(gòu)采用的是馮諾伊曼結(jié)構(gòu)也叫普林斯頓結(jié)構(gòu)USTS哈佛體系結(jié)構(gòu)指令寄存器控制器數(shù)據(jù)通道輸入輸出CPU程序存儲器指令0指令1指令2數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)0數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2地址指令地址數(shù)據(jù)USTS馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)指令寄存器控制器數(shù)據(jù)通道輸入輸出中央處理器存儲

3、器程序指令0指令1指令2指令3指令4數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)0數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2USTS8/7/202272.2 嵌入式處理器的特點（續(xù)）品種規(guī)格系列化同一產(chǎn)品系列不同型號處理器具有相同CPU內(nèi)核，相同或兼容指令系統(tǒng)I/O接口功能部件配置不一樣，形成不同型號處理器對實時多任務的支持實時監(jiān)測、控制、通信多任務有效的調(diào)度USTS8/7/202282.2 嵌入式處理器的特點（續(xù)）可靠性高、功耗低、集成度高、性價比高可靠性高：冗余設(shè)計、電磁兼容設(shè)計功耗低：工作電壓1.2/1.8/2.5/2.3V，工作電流1mA（1A）集成度高：SoC設(shè)計，高度集成價格低：以32位ARM系列芯片為例三星：44b0 x（ARM7）30元，24

4、10（ARM9）80元TI：Stellaris（ARM Cortex-M3）系列32位微控制器零售價格最低至11.5元 ,還有更低。USTS8/7/202292.3 嵌入式處理器的分類1 嵌入式微處理器EMPUEmbedded MicroProcessor Unit2 微控制器MCUMicroController Unit3 數(shù)字信號處理器DSPDigital Signal ProcessorDigital Signal Processing數(shù)字信號處理USTS8/7/2022101 嵌入式微處理器嵌入式微處理器的基礎(chǔ)就是通用CPU為了滿足嵌入式應用的特殊要求，嵌入式微處理器在功能上和通用微處

5、理器基本一樣，但在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性、功耗等方面做了各種增強嵌入式計算機嵌入式微處理器+芯片組（總線仲裁器+中斷控制器+DMA控制器+存儲控制器+I/O接口）+外接存儲器嵌入式微處理器一般與存儲器、接口電路等安裝在一塊電路板上，稱為單板機，如PC/104、Biscuit板等典型芯片（32、64位）386EX、486EX、奔騰、PowerPC、68k、ARM性能：1002000MIPS存儲器：SDRAM-2256MB，F(xiàn)lash-1128MB 一般有操作系統(tǒng)：Vxworks、WINCE(2MB)、uCLinux(300KB)，Embedded LinuxUSTS8/7/2022111

6、嵌入式微處理器（續(xù)）PowerPC特點可伸縮性好，方便靈活品種很多，有通用處理器、嵌入式處理器和CPU核通用處理器主要型號是PowerPC 750系列，主頻最高為700MHz嵌入式處理器有PowerPC 405（主頻最高為266MHz）和PowerPC 440（主頻最高為550MHz）CPU核用于各種集成的系統(tǒng)芯片（System-On-Chip，SOC）設(shè)備上生產(chǎn)公司：Freescale(IBM)、MotorolaUSTS8/7/2022121 嵌入式微處理器（續(xù)）PC/104、PC/104+單板機規(guī)范1996年6月公布了PC/104規(guī)范2.2版特點PC/104總線采用96mm x 90mm的

7、小板結(jié)構(gòu)低功耗，15 瓦每模塊 ，支持32位PCI連接緊湊加固性設(shè)計的PC/104工控機在軍工產(chǎn)品中得到采用，如火箭、導彈和戰(zhàn)斗機等 PC/104總線工控機主流產(chǎn)品是486EX和586EX USTS8/7/202213PC/104插槽功耗小于4.5瓦USTS8/7/202214PC104摘自周立功網(wǎng)站USTS8/7/2022151 嵌入式微處理器（續(xù)）Biscuit PC單板機特點一體化計算機低成本形狀像餅干，俗稱餅干計算機分類迷你 Biscuit PC（2.5” 120 x82mm ）半尺寸Biscuit PC（2.5” 145x102mm ）全尺寸Biscuit PC（5.25“ 203x

8、146mm）USTS8/7/202216迷你 Biscuit PC（2.5” 120 x82mm ）USTS8/7/202217半尺寸Biscuit PC（2.5” 145x102mm ）USTS8/7/202218全尺寸Biscuit PC （5.25“ 203x146mm）USTS8/7/202219Mini-ITX結(jié)構(gòu) 170170mmKINO Atom工業(yè)主板USTS8/7/2022202 微控制器微控制器又稱單片機顧名思義，就是將整個計算機集成到一塊芯片中低檔微控制器CPU存儲控制器+片內(nèi)存儲器（ROM/E2PROM/Flash、SRAM）中斷控制器、定時/計數(shù)器、WatchDog、

9、GPIO、UART、PWM、A/D、D/A等典型芯片8051系列（8位）、MSP430（16位）性能：1100MIPS存儲器：SRAM-256B/2128KB,Flash-8KB/64/512KB一般無操作系統(tǒng)或者簡單操作系統(tǒng)：uC/OS-II(幾KB十幾KB)、FreeRTOS(幾KB)、RTX (幾KB)USTS8/7/2022212 微控制器（續(xù)）高檔微控制器CPU+總線仲裁器+ DMA控制器+中斷控制器+I/O接口+存儲控制器+外接存儲器/少量片內(nèi)存儲器（Flash、SRAM、SDRAM）典型芯片（32位）ARM、MIPS 、Power PC、68k與嵌入式微處理器比較微控制器的最大特

10、點是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本下降、可靠性提高，但性能有所降低目前微控制器是嵌入式系統(tǒng)工業(yè)中的主流，在嵌入式系統(tǒng)占有約70的市場份額 性能：1001000MIPS存儲器：SDRAM-4/8/16/32/64MB, Flash-2/4MB一般有操作系統(tǒng)：Vxworks、uCOSII、WINCE、uCLinuxUSTS8/7/2022228位單片機示意圖CPUSRAMGPIOUARTFlash定時/計數(shù)器A/DD/ACANWatchdog核心部分USBI2CSPIUSTS8/7/20222332位微控制器示意圖USTS8/7/202224Motorola3G手機E1000USTS8/7

11、/2022252 微控制器（續(xù)）MIPSMicroprocessor without Interlocked Pipeline StagesMIPS公司于80年代初開始設(shè)計通用RISC處理器R2000（1986年），R3000（1988年），1991年推出第一款64位商用微處理器R4000R8000（1994年）、R10000（1996年）、R12000（1997年）新32位微控制器4kc （1999年）新64位微控制器5kc（1999年）、20kc（2000年）USTS8/7/2022262 微控制器（續(xù)） USTS8/7/2022273 數(shù)字信號處理器特殊設(shè)計高效乘累加運算、超標量操作、指

12、令流水線高效數(shù)據(jù)存取、硬件重復循環(huán)確定性操作（程序執(zhí)行時間可預測）應用場合數(shù)字濾波、FFT、頻譜分析等方面代表性的產(chǎn)品TI的TMS320系列ADI的21xx系列Motorola的DSP56000系列USTS8/7/202228TI的TMS320系列C2000低成本系列16/32位，定點，最高150MIPS最低價格低于2.00 美元應用數(shù)字電機控制、數(shù)字電源和智能傳感器C6000高性能系列C62xx/C64xx系列32位，定點C67xx系列32位，浮點運行頻率高達 1GHz應用領(lǐng)域包括無線、數(shù)字視頻、電信和成像USTS8/7/202229TI的TMS320系列（續(xù)）C5000低功耗系列16位，定

13、點性能高達 900MIPS超低功耗，低至 0.5mW/MHz適用于個人和便攜式產(chǎn)品，如數(shù)字音樂播放器、VoIP、GPS 接收器和便攜式醫(yī)療設(shè)備OMAP多核系列與ARM核集成一拖二、四USTS8/7/2022302.4 嵌入式處理器的發(fā)展趨勢內(nèi)部結(jié)構(gòu)SoC設(shè)計，與DSP、Flash、FPGA融合性能更強，集成更多的功能部件雙核或多核結(jié)構(gòu)功耗更低工作電流只有0.1A（電池供電）可靠性更高倍頻技術(shù)、ESD（靜電防護）技術(shù)支持ISP（在系統(tǒng)編程）、ISD（在系統(tǒng)調(diào)試）USTS8/7/202231亞洲嵌入式處理器選用情況USTS8/7/202232目前每年新上市的CPU有98%都是嵌入式的，這類新型CP

14、U的長期發(fā)展性也非常樂觀圖顯示美國那斯達克指數(shù)與新CPU出貨量變化的消長關(guān)系CPU出貨量達到10G/YearUSTS8/7/2022332.5 嵌入式處理器的選擇原則CPU Core選擇應用領(lǐng)域用戶需求性能浮點處理、MAC單元工具鏈完善友好的工具鏈開發(fā)的難易程度在系統(tǒng)編程、在系統(tǒng)調(diào)試USTS8/7/2022342.5 嵌入式處理器的選擇原則（續(xù)）處理器I/O接口選擇總線的需求GPIO的需求有沒有基本通信接口UART 、I2C、SPI是否需要USB總線是否需要CAN總線是否需要Ethernet總線是否需要A/D、D/A是否需要LCD控制器是否需要Zigbee、藍牙等USTS8/7/2022352

15、.5 嵌入式處理器的選擇原則（續(xù)）處理器存儲系統(tǒng)選擇MMU尋址空間（容量）程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、特殊寄存器片上Flash、SRAM、E2PROM是否支持SDRAM市場因素的影響價格是否容易購買技術(shù)支持與售后服務USTS8/7/202236本講小結(jié)目的與要求掌握嵌入式處理器的特點、分類熟悉典型嵌入式處理器了解嵌入式處理器的發(fā)展趨勢和選擇原則重點與難點嵌入式處理器的特點、分類如何分類閱讀章節(jié)：第2.12.5節(jié)作業(yè)：補充作業(yè)USTS8/7/2022372.6 ARM微處理器概述2.6.1 ARMAdvanced RISC Machines2.6.2 ARM微處理器的特點2.6.3 ARM微處理器的

16、應用領(lǐng)域2.6.4 ARM微處理器系列2.6.5 ARM微處理器的應用選型USTS8/7/2022382.6.1 ARMAdvanced RISC MachinesARM（Advanced RISC Machines）英國一家公司的名字，也是一類微處理器的通稱ARM公司1991年成立于英國劍橋知識產(chǎn)權(quán)（IP, intellectual property right ）ARM公司本身不直接從事芯片生產(chǎn)，靠轉(zhuǎn)讓設(shè)計許可全世界有幾十家大的半導體公司都使用ARM公司的微處理器核（TI、NXP、Atmel、ST、Freescale等）市場份額基于ARM技術(shù)的微處理器占32位RISC微處理器75%以上的市

17、場份額USTS8/7/2022392.6.2 ARM微處理器的特點特點功耗低、成本低、性能高支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集Cortex支持Thumb-2（16/32位混合指令系統(tǒng)）指令長度固定（32位/16位）大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高C5000：0.5mW/MHzARM7TDMI：0.28mW/MHz Cortex-M3：0.19mW/MHzUSTS8/7/2022402.6.3 ARM微處理器的應用領(lǐng)域工業(yè)控制領(lǐng)域占據(jù)高端微處理器的大部分市場份額，同時也向低端微控制器應用領(lǐng)域擴展（ARM微處理器的低功耗、高性價比，向傳統(tǒng)的8位/16位微

18、控制器提出了挑戰(zhàn)）無線通信領(lǐng)域目前已有超過85%的無線通信設(shè)備采用了ARM技術(shù)消費類電子產(chǎn)品在音頻播放器、機頂盒和游戲機中得到廣泛采用圖像處理產(chǎn)品數(shù)碼相機和打印機中絕大部分采用ARM技術(shù)USTS8/7/2022412.6.4 ARM微處理器系列ARM微處理器目前包括下面幾個系列通用系列1 ARM7系列2 ARM9系列3 ARM9E系列4 ARM10E系列5 ARM11系列6 Cortex系列安全系列7 SecurCore系列USTS8/7/2022421 ARM7系列ARM7微處理器系列特點極低的功耗（0.28mW/MHz），適合對功耗要求較高的應用具有嵌入式ICERT邏輯，調(diào)試開發(fā)方便能夠提

19、供0.9MIPS/MHz的三級流水線結(jié)構(gòu)支持的操作系統(tǒng)：uC/OS-II、uCLinux等性能最高可達130MIPSC5000：0.5mW/MHzARMT7DMI：0.28mW/MHz Cortex-M3：0.19mW/MHzUSTS8/7/2022431 ARM7系列（續(xù)）ARM7系列微處理器的主要應用領(lǐng)域為工業(yè)控制、網(wǎng)絡和調(diào)制解調(diào)器移動電話、消費電子等ARM7系列包括如下幾種類型ARM7TDMI、ARM7TDMI-SARM7TMDI是目前使用最廣泛的32位嵌入式處理器，屬低端ARM處理器核TDMI的基本含義為T：支持16位壓縮指令集ThumbD：支持片上DebugM：內(nèi)嵌硬件乘法器（Mul

20、tiplier）I：嵌入式ICE，支持片上斷點和調(diào)試點USTS8/7/202244ATMEL ARM7框圖USTS8/7/202245AT91SAM7S64開發(fā)板USTS8/7/2022462 ARM9系列ARM9系列微處理器具有以下特點5級整數(shù)流水線，指令執(zhí)行效率更高提供1.1MIPS/MHz的加速能力全性能的MMU，支持Windows CE、Embedded Linux等支持數(shù)據(jù)Cache和指令Cache性能最高可達300MIPSUSTS8/7/2022472 ARM9系列（續(xù)）ARM9系列微處理器主要應用無線設(shè)備機頂盒高端打印機、數(shù)字照相機和數(shù)字攝像機汽車電子ARM9系列微處理器類型AR

21、M920TARM922TUSTS8/7/202248ATMEL ARM9框圖USTS8/7/202249ARM9開發(fā)板ARM9 CPUUSTS8/7/2022503 ARM9E系列ARM9E系列微處理器的主要特點支持DSP指令集（MAC）5級整數(shù)流水線，指令執(zhí)行效率更高支持VFP9浮點處理協(xié)處理器全性能的MMU，支持Windows CE、Embedded Linux等支持數(shù)據(jù)Cache和指令Cache性能最高可達300MIPSUSTS8/7/2022513 ARM9E系列（續(xù)）ARM9系列微處理器主要應用工業(yè)控制無線設(shè)備和網(wǎng)絡設(shè)備數(shù)字消費品、圖像處理設(shè)備、存儲設(shè)備ARM9E系列微處理器類型 A

22、RM926EJ-SARM946E-SARM966E-S、ARM968E-SARM996HS USTS8/7/2022524 ARM10E系列ARM10E系列微處理器的主要特點支持DSP指令集（MAC）6級整數(shù)流水線，指令執(zhí)行效率更高支持VFP10浮點處理協(xié)處理器全性能的MMU，支持Windows CE、Embedded Linux支持數(shù)據(jù)Cache和指令Cache性能最高可達400MIPSUSTS8/7/2022534 ARM10E系列（續(xù)）ARM10E系列微處理器主要應用手持設(shè)備工業(yè)控制數(shù)字消費品、汽車電子圖像處理設(shè)備ARM10E系列微處理器類型ARM1020EARM1022EARM1026

23、EJ-SUSTS8/7/2022545 ARM11系列高性能8級流水增強的ARMv6體系結(jié)構(gòu)與同等的ARM10相比較，在同樣的時鐘頻率下，性能提高了近50時鐘頻率達到500750MHz低功耗ARM11系列微處理器采用了兩種先進的節(jié)能方式，使其功耗極低0.6mW/MHz (0.13m, 1.2V) C5000：0.5mW/MHzARMT7DMI：0.28mW/MHz Cortex-M3：0.19mW/MHzUSTS8/7/2022555 ARM11系列（續(xù)）ARM11系列微處理器主要應用消費電子、汽車電子數(shù)據(jù)存儲、圖像處理設(shè)備網(wǎng)絡基礎(chǔ)、無線設(shè)備ARM11系列微處理器類型ARM11 MPCore（

24、多核處理器）ARM1136J(F)-SARM1156T2(F)-SARM1176JZ(F)-S三星S3C6410處理器ARM1176JZF-S核最高主頻可達667MHz 魅族M8AppleiphoneUSTS8/7/2022566 Cortex系列ARM Cortex-A Series高性能應用Applications processors for complex OS and user applications支持ARM、Thumb和Thumb-2指令集帶MMU，運行Linux、Windows CE等操作系統(tǒng)TI OMAP35xx，ST（意法半導體）ARM Cortex-R Series實時

25、性應用Embedded processors for real-time systems支持ARM、Thumb和Thumb-2指令集不帶MMU，運行Vxworks等實時操作系統(tǒng)USTS8/7/2022576、Cortex系列（續(xù)）ARM Cortex-M Series低成本應用Embedded processors optimized for cost sensitive applicationsSupports the Thumb-2 instruction set only 不帶MMU，不加載或者加載簡單嵌入式操作系統(tǒng)Accelerated Technology公司的Nucleus PLU

26、SuC/OS-II、FreeRTOS典型芯片TIStellaris LM3Sxxxx系列NXP LPC1000系列，ATMELSAM3系列C5000：0.5mW/MHzARM7TDMI：0.28mW/MHz Cortex-M3：0.19mW/MHzUSTS8/7/2022586、Cortex系列（續(xù)）愛可視 7(320G) ￥4150采用 600 MHz 超標量 ARM Cortex-A8 處理器的 OMAP 3 實施方案 OMAP 3430處理器ARM Cortex-A8USTS8/7/2022597 SecurCore系列SecurCore系列微處理器專為安全需要而設(shè)計具有ARM體系結(jié)構(gòu)的

27、低功耗、高性能的特點提供了完善的32位RISC技術(shù)的安全解決方案SecurCore系列微處理器在系統(tǒng)安全方面的特點帶有靈活的保護單元，以確保操作系統(tǒng)和應用數(shù)據(jù)的安全采用軟處理器內(nèi)核技術(shù)（處理器布局隨機化），防止外部對其進行掃描探測可集成用戶自己的安全特性和其他協(xié)處理器USTS8/7/2022607 SecurCore系列（續(xù)）SecurCore系列微處理器的應用領(lǐng)域電子商務電子銀行電子政務網(wǎng)絡和認證系統(tǒng)SecurCore系列微處理器包含四種類型SecurCore SC100SecurCore SC110SecurCore SC200SecurCore SC210USTS8/7/2022612.

28、6.5 ARM微處理器的應用選型ARM微處理器內(nèi)核結(jié)構(gòu)的選擇帶有MMU功能的ARM內(nèi)核ARM720T、ARM92xT、Cortex-A8支持WinCE、Embedded Linux等操作系統(tǒng)不含有MMU功能的ARM內(nèi)核ARM7TDMI、Cortex-M3、Cortex-R4支持uCLinux操作系統(tǒng)不支持Windows CE、Embedded Linux等操作系統(tǒng)是否支持DSP或Java是否支持浮點協(xié)處理器VFPUSTS8/7/2022625、ARM微處理器的應用選型（續(xù)）系統(tǒng)的工作頻率ARM7系列的典型處理速度為0.9MIPS/MHz系統(tǒng)主時鐘為20MHz-133MHzARM9系列的典型處理

29、速度為1.1MIPS/MHz系統(tǒng)主時鐘頻率為100MHz-233MHzARM10系統(tǒng)主時鐘高達400MHzARM11系統(tǒng)主時鐘高達750MHzCortex-M31.25MIPS/MHz，頻率高達100MHzCortex-R41.6MIPS/MHz，頻率高達400MHzCortex-A82.0MIPS/MHz，頻率高達1GHzUSTS8/7/2022635、ARM微處理器的應用選型（續(xù)）芯片內(nèi)存儲器的容量大多數(shù)的ARM微處理器片內(nèi)存儲器的容量都不太大，需要用戶在設(shè)計系統(tǒng)時外擴存儲器有部分芯片具有相對較大的片內(nèi)存儲空間如ATMEL的AT91F40162就具有高達2MB的片內(nèi)程序存儲空間用戶在設(shè)計時

30、可考慮選用這種類型，以簡化系統(tǒng)的設(shè)計USTS8/7/2022645、ARM微處理器的應用選型（續(xù)）片內(nèi)外圍電路的選擇幾乎所有的ARM芯片均根據(jù)各自不同的應用領(lǐng)域，擴展了相關(guān)功能模塊，并集成在芯片之中片內(nèi)外圍電路：USB接口、IIS（音頻）接口、LCD控制器、鍵盤接口、RTC（實時時鐘）、ADC和DAC、DSP協(xié)處理器等設(shè)計者應分析系統(tǒng)的需求，盡可能采用片內(nèi)外圍電路完成所需的功能，這樣既可簡化系統(tǒng)的設(shè)計，同時提高系統(tǒng)的可靠性IIS：Inter-IC Sound busRTC：Real-Time Clock USTS8/7/202265USTS8/7/202266ARM處理器分類USTS8/7/2

31、02267USTS8/7/202268USTS8/7/202269本講小結(jié)目的與要求掌握ARM處理器的系列情況熟悉ARM處理器的特點、應用領(lǐng)域了解ARM處理器的應用選型重點與難點ARM處理器的系列情況閱讀章節(jié)：第2.6節(jié)作業(yè)：無USTS8/7/2022702.7 ARM微處理器的編程模型2.7.1 ARM微處理器的工作模式2.7.2 ARM微處理器的工作狀態(tài)2.7.3 ARM體系結(jié)構(gòu)的寄存器組織2.7.4 ARM微處理器的數(shù)據(jù)類型2.7.5 ARM微處理器的異常狀態(tài)USTS8/7/2022712.7.1 ARM微處理器的工作模式ARM微處理器支持7種工作模式User-用戶模式（usr）ARM處

32、理器正常的程序執(zhí)行狀態(tài)System-系統(tǒng)模式（sys）運行具有特權(quán)的操作系統(tǒng)任務IRQ-外部中斷模式（irq）用于通用的中斷處理FIQ-快速中斷模式（fiq）用于高速數(shù)據(jù)傳輸或通道處理USTS8/7/2022722.7.1 ARM微處理器的工作模式（續(xù)）ARM微處理器支持7種工作模式Supervisor-管理模式（svc）操作系統(tǒng)使用的保護模式復位、軟中斷調(diào)用（SWI）Abort-中止模式(abt)當數(shù)據(jù)或指令預取中止時進入該模式可用于虛擬存儲及存儲保護Undefined-未定義指令模式（und）當未定義的指令執(zhí)行時進入該模式可用于支持硬件協(xié)處理器的軟件仿真USTS8/7/2022732.7.

33、1 ARM微處理器的工作模式（續(xù)）特權(quán)模式除用戶模式以外，其余6種模式稱之為特權(quán)模式（Privileged Modes）當處理器運行在用戶模式下時，某些被保護的系統(tǒng)資源是不能被訪問的異常模式除去用戶模式和系統(tǒng)模式以外的5種又稱為異常模式（Exception Modes）常用于處理中斷或異常，以及需要訪問受保護的系統(tǒng)資源等情況USTS8/7/2022742.7.1 ARM微處理器的工作模式（續(xù)）工作模式的改變通過軟件改變系統(tǒng)調(diào)用通過外部中斷或異常處理改變外部中斷：IRQ、FIQ來自中斷控制器異常處理來自CPU內(nèi)部USTS8/7/2022752.7.1 ARM微處理器的工作模式（續(xù)）工作模式的改變

34、舉例SWI軟件中斷指令SWI 0 x0 ; 調(diào)用0號軟中斷SWI 0 x12 ; 調(diào)用12號軟中斷IRQ外部中斷_irq void HandlerTIMER5(void) timeval+;/ 當前時刻遞增 pIC-I_ISPC = INT_TIMER5; / 清除中斷請求位USTS8/7/2022762.7.2 ARM微處理器的工作狀態(tài)ARM微處理器的工作狀態(tài)一般有兩種第一種為ARM狀態(tài)處理器執(zhí)行32位的ARM指令ARM指令要求字對齊第二種為Thumb狀態(tài)處理器執(zhí)行16位的Thumb指令Thumb指令要求半字對齊USTS8/7/2022772.7.2 ARM微處理器的工作狀態(tài)（續(xù)）工作狀態(tài)切

35、換在程序的執(zhí)行過程中，處理器可以隨時在兩種工作狀態(tài)之間切換處理器工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)變并不影響處理器的工作模式和相應寄存器中的內(nèi)容ARM微處理器在開始執(zhí)行代碼時總是處于ARM狀態(tài)也就是復位后進入ARM狀態(tài)USTS8/7/2022782.7.2 ARM微處理器的工作狀態(tài)（續(xù)）工作狀態(tài)切換方法進入Thumb狀態(tài)執(zhí)行BX指令BX：帶狀態(tài)切換的跳轉(zhuǎn)指令當操作數(shù)寄存器的最低位0為1時，可以使微處理器從ARM狀態(tài)切換到Thumb狀態(tài)BX R0;R0的最低位0為1處理器工作在Thumb狀態(tài)，如果發(fā)生異常并進入異常處理子程序，則異常處理完畢返回時，自動從ARM狀態(tài)切換到Thumb狀態(tài)USTS8/7/2022792.7

36、.2 ARM微處理器的工作狀態(tài)（續(xù)）工作狀態(tài)切換方法進入ARM狀態(tài)執(zhí)行BX指令BX：帶狀態(tài)切換的跳轉(zhuǎn)指令當操作數(shù)寄存器的最低位0為0時，可以使微處理器從Thumb狀態(tài)切換到ARM 狀態(tài)BX R0;R0的最低位0為0處理器工作在Thumb狀態(tài)，如果發(fā)生異常并進入異常處理子程序，則進入時處理器自動從Thumb狀態(tài)切換到ARM狀態(tài) USTS8/7/2022802.7.2 ARM微處理器的工作狀態(tài)（續(xù)）工作狀態(tài)切換舉例BLabelCMPR1, #0BEQLabelADRLR0, ThumbFun+1BXR0BLXLabelBLX：下一條指令地址送往LR寄存器；Label送往PC，并完成狀態(tài)切換USTS

37、8/7/2022812.7.3 ARM體系結(jié)構(gòu)的寄存器組織ARM處理器的寄存器37個32位寄存器31個通用寄存器6個狀態(tài)寄存器這些寄存器不能被同時訪問取決于處理器的工作狀態(tài)工作模式USTS8/7/2022822.7.3 ARM體系結(jié)構(gòu)的寄存器組織1 ARM狀態(tài)下的寄存器組織2 Thumb狀態(tài)下的寄存器組織3 程序狀態(tài)寄存器USTS8/7/2022831 ARM狀態(tài)下的寄存器組織通用寄存器通用寄存器包括R0R15可以分為三類未分組寄存器R0R7分組寄存器R8R14程序計數(shù)器R15 (PC)USTS8/7/202284USTS8/7/2022851 ARM狀態(tài)下的寄存器組織（續(xù)）未分組寄存器R0R

38、7在所有的工作模式下，每個未分組寄存器都指向?qū)囊粋€物理寄存器在中斷或異常處理進行工作模式轉(zhuǎn)換時，由于不同的處理器工作模式均使用相同的物理寄存器，可能會造成寄存器中數(shù)據(jù)的破壞USTS8/7/2022861 ARM狀態(tài)下的寄存器組織（續(xù)）分組寄存器R8R14R8R12每個寄存器對應2個不同的物理寄存器當使用FIQ模式時，訪問R8_fiqR12_fiq當使用其他模式時，訪問R8_usrR12_usrR13、R14每個寄存器對應6個不同的物理寄存器其中一個寄存器是用戶模式與系統(tǒng)模式共用另外5個物理寄存器對應于其他5種不同的工作模式 USTS8/7/2022871 ARM狀態(tài)下的寄存器組織（續(xù)）不同

39、物理寄存器的區(qū)分R13_R14_mode為：usr、fiq、irq、svc、abt、und例如：R13_usr、R13_fiq、R13_irqR14_svc、R14_abt、R14_undUSTS8/7/2022881 ARM狀態(tài)下的寄存器組織（續(xù)）R13寄存器常用作堆棧指針SP（Stack Pointer），一種習慣用法也可使用其他的寄存器作為堆棧指針在Thumb指令集中，某些指令強制使用R13作為堆棧指針在應用程序初始化時，一般都要初始化每種模式下的R13，使其指向該工作模式的?？臻gUSTS8/7/2022891 ARM狀態(tài)下的寄存器組織（續(xù)）R14寄存器也稱鏈接寄存器LR （Link R

40、egister） 當執(zhí)行BL子程序調(diào)用指令時，R14中得到R15（程序計數(shù)器PC）的備份BL Label；下一條指令地址LR, LabelPC當發(fā)生中斷或異常時，對應的分組寄存器R14_svc、R14_irq、R14_fiq、R14_abt和R14_und用來保存R15的返回值其他情況下，R14用作通用寄存器USTS8/7/2022901 ARM狀態(tài)下的寄存器組織（續(xù)）R14寄存器常用情形1、常用用法（子程序返回）MOVPC, LRBXLR2、在子程序入口處使用以下指令將R14存入堆棧STMFDSP！, , LR使用以下指令可以完成子程序返回LDMFDSP！, , PCUSTS8/7/2022

41、911 ARM狀態(tài)下的寄存器組織（續(xù)）R15寄存器R15寄存器用作程序計數(shù)器（PC）在ARM狀態(tài)下，位1:0為0，位31:2用于保存PC在Thumb狀態(tài)下，位0為0，位31:1用于保存PC由于ARM體系結(jié)構(gòu)采用了多級流水結(jié)構(gòu)，對于ARM指令集而言，PC總是指向當前執(zhí)行指令的下兩條指令的地址，即PC的值為當前執(zhí)行指令的地址值加8個字節(jié) R15也可用作通用寄存器，但一般不這么使用因為對R15的使用有一些特殊的限制，當違反了這些限制時，程序的執(zhí)行結(jié)果是未知的USTS8/7/2022921 ARM狀態(tài)下的寄存器組織（續(xù)）CPSR寄存器用作CPSR(Current Program Status Regi

42、ster)CPSR可在任何工作模式下被訪問，它包括條件標志位、中斷禁止位、當前處理器模式標志位，以及其他一些相關(guān)的控制和狀態(tài)位異常模式下有一個專用的物理狀態(tài)寄存器，稱為SPSR（Saved Program Status Register）當異常發(fā)生時，SPSR用于保存CPSR的當前值，從異常退出時則可由SPSR來恢復CPSR用戶模式和系統(tǒng)模式不屬于異常模式，沒有SPSRUSTS8/7/202293USTS8/7/2022942 Thumb狀態(tài)下的寄存器組織Thumb狀態(tài)下的寄存器集是ARM狀態(tài)下寄存器集的一個子集程序可以直接訪問8個通用寄存器（R7R0）程序計數(shù)器（PC）堆棧指針（SP）連接寄

43、存器（LR）CPSR在每一種異常模式下都有一組SP、LR和SPSRUSTS8/7/202295USTS8/7/202296兩種工作狀態(tài)下寄存器比較USTS8/7/2022973 程序狀態(tài)寄存器 程序狀態(tài)寄存器的構(gòu)成一個當前程序狀態(tài)寄存器（CPSR）五個備份程序狀態(tài)寄存器（SPSR）備份的程序狀態(tài)寄存器用來進行異常處理程序狀態(tài)寄存器的功能保存ALU中的當前操作信息控制允許和禁止中斷設(shè)置處理器的工作模式 USTS8/7/2022983 程序狀態(tài)寄存器（續(xù)）USTS8/7/2022993 程序狀態(tài)寄存器（續(xù)）條件碼標志（Condition Code Flags）N、Z、C、V均為條件碼標志位它們的內(nèi)

44、容可被算術(shù)或邏輯運算的結(jié)果所改變，并且可以決定某條指令是否被執(zhí)行在ARM狀態(tài)下，絕大多數(shù)的指令都是有條件執(zhí)行的在Thumb狀態(tài)下，僅有分支指令B是有條件執(zhí)行的USTS8/7/20221003 程序狀態(tài)寄存器（續(xù)）實例C代碼：if (ab) a+; else b+;Thumb代碼：CMPR0, R1BHIA_ADDADDR1, R1, #1 BOVER A_ADDADDR0, R0, #1 OVERARM代碼：CMPR0, R1ADDHIR0, R0, #1ADDLSR1, R1, #1 USTS8/7/20221013 程序狀態(tài)寄存器（續(xù)）標志位N當用兩個補碼表示的帶符號數(shù)進行運算時N=1 表

45、示運算結(jié)果為負數(shù)N=0 表示運算結(jié)果為正數(shù)或零標志位ZZ=1 表示運算結(jié)果為零；Z=0 表示運算結(jié)果為非零標志位V對于加/減法運算指令，當操作數(shù)和運算結(jié)果為補碼表示的帶符號數(shù)時，V=1表示符號位溢出對于其他的非加/減運算指令，V的值通常不改變USTS8/7/20221023 程序狀態(tài)寄存器（續(xù)）標志位C加法運算（包括比較指令CMN）：當運算結(jié)果產(chǎn)生了進位時（無符號數(shù)溢出），C=1，否則C=0減法運算（包括比較指令CMP）：當運算時產(chǎn)生了借位（無符號數(shù)溢出），C=1，否則C=0對于包含移位操作的非加/減運算指令，C為移出值的最后一位對于其他的非加/減運算指令，C的值通常不改變USTS8/7/20

46、221033 程序狀態(tài)寄存器（續(xù)）中斷禁止位I和FI=1禁止IRQ中斷；I=0允許IRQ中斷F=1禁止FIQ中斷；F=0允許IRQ中斷運行狀態(tài)控制位T對于ARM v5及以上的T系列處理器，當該位為1時，程序運行于Thumb狀態(tài)，否則運行于ARM狀態(tài)對于ARM v5及以上的非T系列處理器，當該位為1時，執(zhí)行下一條指令以引起未定義指令異常；當該位為0時，表示運行于ARM狀態(tài)工作模式位M4:0這些位決定了處理器的工作模式USTS8/7/2022104M4:0處理器模式可訪問的寄存器0b10000用戶PC，CPSR, R0-R140b10001FIQPC，CPSR, SPSR_fiq，R14_fiqR

47、8_fiq, R7R00b10010IRQPC，CPSR, SPSR_irq，R14_irq, R13_irq, R12R00b10011管理PC，CPSR, SPSR_svc，R14_svc, R13_svc, R12R00b10111中止PC，CPSR, SPSR_abt，R14_abt, R13_abt, R12R00b11011未定義PC，CPSR, SPSR_und，R14_und, R13_und, R12R00b11111系統(tǒng)PC，CPSR（ARM v4及以上版本）, R14R03 程序狀態(tài)寄存器（續(xù)）USTS8/7/2022105本講小結(jié)目的與要求掌握ARM處理器的工作模式、工

48、作狀態(tài)、ARM狀態(tài)下的寄存器組織熟悉Thumb狀態(tài)下的寄存器組織、程序狀態(tài)寄存器重點與難點工作模式寄存器組織閱讀章節(jié)：第2.7.12.7.3節(jié)作業(yè)：補充作業(yè)USTS8/7/20221062.7.4 ARM微處理器的數(shù)據(jù)類型 字、半字、字節(jié)字（Word）：字的長度為32位半字（Half-Word）：半字的長度為16位字節(jié)（Byte）：字節(jié)的長度為8位 ARM微處理器要求自然對界字需要4字節(jié)對齊地址的低兩位為0半字需要2字節(jié)對齊地址的最低位為0字節(jié)則是任意地址對齊 USTS8/7/20221072.7.4 ARM微處理器的數(shù)據(jù)類型（續(xù)）邊界對齊（數(shù)據(jù)存儲）如果一個數(shù)據(jù)是從偶地址開始的連續(xù)存儲，那么

49、它就是半字對齊，否則就是非半字對齊如果一個數(shù)據(jù)是以能被4整除的地址開始的連續(xù)存儲，那么它就是字對齊，否則就是非字對齊方式半字對齊字對齊地址0 x000000000 x000000020 x000000040 x000000000 x000000040 x00000008特征Bit0=0Bit1=0,Bit0=0USTS8/7/20221082.7.4 ARM微處理器的數(shù)據(jù)類型（續(xù)）ARM體系結(jié)構(gòu)的存儲結(jié)構(gòu)從零地址開始的以字節(jié)為單位的線性組合從零字節(jié)到三字節(jié)放置第一個存儲的字數(shù)據(jù)，從第四個字節(jié)到第七個字節(jié)放置第二個存儲的字數(shù)據(jù)，依次排列作為32位的微處理器，ARM體系結(jié)構(gòu)所支持的最大尋址空間為4

50、GB（232字節(jié)）受到物理地址線的限制，一般實際嵌入式處理器最大尋址空間為幾百兆USTS8/7/20221092.7.4 ARM微處理器的數(shù)據(jù)類型（續(xù)）ARM體系結(jié)構(gòu)可以用兩種方法存儲字數(shù)據(jù)大端格式（Big endian）字數(shù)據(jù)的高字節(jié)存儲在低地址中字數(shù)據(jù)的低字節(jié)存放在高地址中小端格式（Little endian）與大端存儲格式相反低地址中存放的是字數(shù)據(jù)的低字節(jié)高地址中存放的是字數(shù)據(jù)的高字節(jié)USTS8/7/2022110大端格式（Big endian）USTS8/7/2022111小端格式（Little endian）USTS8/7/2022112舉例1程序LDR R0, =0 x112233

51、44LDR R1, =0 x00000100STR R0, R1LDRB R2, R1R2=？答案小端模式：R2 = 0 x44大端模式：R2 = 0 x11LDR 偽指令，使用以下項之一加載寄存器： 一個 32 位常數(shù)值 一個地址LDR偽指令的形式：LDRRn, =expr ; =而非#USTS8/7/2022113舉例2struct xchar a;int b;char c;short d; 問：在缺?。ㄗ匀粚纾┣闆r下，上述結(jié)構(gòu)需要多少存儲空間（小端格式）？強制對界編譯控制：匯編align(1/2/4/8) unalignC語言#pragma pack(1/2/4/8)USTS8/7/2

52、0221142.7.5 ARM微處理器的異常狀態(tài)當正常的程序執(zhí)行流程發(fā)生暫時的停止時，稱之為異常（Exception）例如處理一個外部的中斷請求在處理異常之前，當前處理器的狀態(tài)必須保留，這樣當異常處理完成之后，當前程序可以繼續(xù)執(zhí)行處理器允許多個異常同時發(fā)生，它們將會按固定的優(yōu)先級進行處理中斷優(yōu)先級中斷嵌套USTS8/7/2022115異常類型具體含義復位當處理器的復位電平有效時，產(chǎn)生復位異常，程序跳轉(zhuǎn)到復位異常處理程序處執(zhí)行未定義指令當ARM處理器或協(xié)處理器遇到不能處理的指令時，產(chǎn)生未定義指令異常?？墒褂迷摦惓C制進行軟件仿真軟件中斷該異常由執(zhí)行SWI指令產(chǎn)生，可用于用戶模式下的程序調(diào)用特權(quán)操

53、作指令。可使用該異常機制實現(xiàn)系統(tǒng)功能調(diào)用指令預取中止若處理器預取指令的地址不存在，或該地址不允許當前指令訪問，存儲器會向處理器發(fā)出中止信號，但當預取的指令被執(zhí)行時，才會產(chǎn)生指令預取中止異常數(shù)據(jù)中止若處理器數(shù)據(jù)訪問的地址不存在，或該地址不允許當前指令訪問時，產(chǎn)生數(shù)據(jù)中止異常IRQ（外部中斷請求）當處理器的外部中斷請求引腳有效，且CPSR中的I位為0時，產(chǎn)生IRQ異常。系統(tǒng)的外設(shè)可通過該異常請求中斷服務FIQ（快速中斷請求）當處理器的快速中斷請求引腳有效，且CPSR中的F位為0時，產(chǎn)生FIQ異常USTS8/7/20221162.7.5 ARM微處理器的異常狀態(tài)（續(xù)）1 對異常的響應2 從異常返回3

54、 各類異常的具體描述4 異常向量5 異常優(yōu)先級6 應用程序中的異常處理USTS8/7/20221171 對異常的響應當出現(xiàn)異常后，ARM處理器會執(zhí)行以下操作1 將CPSR復制到相應的SPSR中2 對CPSR進行設(shè)置根據(jù)異常類型，強制設(shè)置CPSR的工作模式位設(shè)置中斷禁止位，以禁止中斷發(fā)生如果處理器處于Thumb狀態(tài)，則切換到ARM狀態(tài)3 將下一條指令的地址存入相應鏈接寄存器LRLR中保存的是下一條指令的地址（當前執(zhí)行指令地址4或8，與異常類型有關(guān)）4 強制PC從相關(guān)的異常向量地址取下一條指令執(zhí)行，從而跳轉(zhuǎn)到相應的異常處理程序處USTS8/7/20221181 對異常的響應（續(xù)）ARM處理器對異常

55、的響應過程用偽碼描述為SPSR_ = CPSRCPSR4:0 = Exception Mode NumberCPSR5 = 0; 切換到ARM工作狀態(tài)If = Reset or FIQ then CPSR6 = 1 ; 禁止新的FIQ異常CPSR7 = 1; 禁止新的IRQ異常R14_ = Return LinkPC = Exception Vector Address CPU自動完成USTS8/7/2022119程序AIRQ服務程序系統(tǒng)模式IRQ模式程序寄存器組程序在系統(tǒng)模式下運行用戶程序，假定當前處理器狀態(tài)為Thumb狀態(tài)、允許IRQ中斷用戶程序運行時發(fā)生IRQ中斷，硬件完成以下動作：LR

56、_sysSPSR_irqLR_irqLRPCCPSRSPSRSYS1?0. . .?MODTFI. . .NZCV置位I位（禁止IRQ中斷）清零T位（進入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USTS8/7/20221202 從異常返回異常處理完畢之后，ARM微處理器會執(zhí)行以下幾步操作從異常返回1、將SPSR復制回CPSR中2、將鏈接寄存器LR的值減去

57、相應偏移量后送到PC中注意復位異常處理程序不需要返回編程（指令）完成USTS8/7/2022121在異常處理結(jié)束后，異常處理程序完成以下動作：程序AIRQ服務程序系統(tǒng)模式IRQ模式程序寄存器組LR_sysSPSR_irqLR_irqLRPCCPSRSPSRSYS1?0. . .?MODTFI. . .NZCV將SPSR寄存器的值復制回CPSR寄存器；將LR寄存的值減去一個常量后復制到PC寄存器，跳轉(zhuǎn)到被中斷的用戶程序。IRQ0?1. . .?BackAddrJumpAddrreturnSYS1?0. . .?SYS1?0. . .?BackAddr-4Jump“?”表示對該位不關(guān)心USTS8/

58、7/20221223 各類異常的具體描述復位的響應過程SPSR_svc = CPSR （不可預知）CPSR4:0 = 0b10011CPSR5 = 0; 切換到ARM工作狀態(tài)CPSR6 = 1; 禁止新的FIQ異常CPSR7 = 1; 禁止新的IRQ異常R14_svc = Return Link（不可預知）PC = 0 x00000000 USTS8/7/20221233 各類異常的具體描述（續(xù)）Undefined Instruction(未定義指令)當ARM處理器遇到不能處理的指令時，會產(chǎn)生未定義指令異常采用這種機制，可以通過軟件仿真擴展ARM或Thumb指令集在未定義指令處理程序中執(zhí)行以下

59、指令返回MOVS PC, R14_und恢復PC（從R14_und）和CPSR（從SPSR_und）的值，并返回到未定義指令后的下一條指令 指令加后綴“S”且目的寄存器為PC則自動復制USTS8/7/20221243 各類異常的具體描述（續(xù)）未定義指令異常的響應過程SPSR_und = CPSRCPSR4:0 = 0b11011CPSR5 = 0; 切換到ARM工作狀態(tài)/ CPSR6保持不變CPSR7 = 1; 禁止新的IRQ異常R14_und = Return LinkPC = 0 x00000004USTS8/7/20221253 各類異常的具體描述（續(xù)）Software Interrup

60、t(軟件中斷)軟件中斷指令（SWI）用于進入管理模式，常用于請求執(zhí)行特定的管理功能在 ARM 上寫的操作系統(tǒng)典型的使用 SWI 來為編程者提供各種例程在軟件中斷處理程序中執(zhí)行以下指令返回MOVS PC, R14_svc恢復PC（從R14_svc）和CPSR（從SPSR_svc）的值，并返回到SWI的下一條指令指令加后綴“S”且目的寄存器為PC則自動復制USTS8/7/20221263 各類異常的具體描述（續(xù)）SWI的響應過程SPSR_svc = CPSRCPSR4:0 = 0b10011CPSR5 = 0; 切換到ARM工作狀態(tài)/ CPSR6保持不變CPSR7 = 1; 禁止新的IRQ異常R1