第二章ARM體系結(jié)構(gòu)及編程模型1/11/2023主講張道德1提綱13245ARM技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域及特點(diǎn)ARM處理器的寄存器組織ARM處理器的工作模式ARM微處理器系列67第二章ARM體系結(jié)構(gòu)及編程模型ARM異常處理ARM處理器的工作狀態(tài)ARM處理器的存儲(chǔ)器格式2ARM－AdvancedRISCMachines

ARM（AdvancedRISCMachines），既可以認(rèn)為是一個(gè)公司的名字，也可以認(rèn)為是對(duì)一類微處理器的通稱，還可以認(rèn)為是一種技術(shù)的名字。ARM技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域及特點(diǎn)1991年ARM公司成立于英國劍橋，主要出售芯片設(shè)計(jì)技術(shù)的授權(quán)。3ARM公司的Chipless模式世界各大半導(dǎo)體生產(chǎn)商從ARM公司購買其設(shè)計(jì)的ARM微處理器核，根據(jù)各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域，加入適當(dāng)?shù)耐鈬娐?，從而形成自己的ARM微處理器芯片進(jìn)入市場(chǎng)。ARM技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域及特點(diǎn)基于ARM技術(shù)的微處理器應(yīng)用約占據(jù)了32位RISC微處理器75％以上的市場(chǎng)份額，ARM技術(shù)正在逐步滲入到我們生活的各個(gè)方面。我國的中興集成電路、大唐電訊、中芯國際和上海華虹，以及國外的一些公司如德州儀器、意法半導(dǎo)體、Philips、Intel、Samsung等都推出了自己設(shè)計(jì)的基于ARM核的處理器。4ARM微處理器的應(yīng)用領(lǐng)域

工業(yè)控制領(lǐng)域：作為32的RISC架構(gòu)，基于ARM核的微控制器芯片不但占據(jù)了高端微控制器市場(chǎng)的大部分市場(chǎng)份額，同時(shí)也逐漸向低端微控制器應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展，ARM微控制器的低功耗、高性價(jià)比，向傳統(tǒng)的8位/16位微控制器提出了挑戰(zhàn)。ARM技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域及特點(diǎn)到目前為止，ARM微處理器及技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)廣泛深入到國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域5ARM微處理器的應(yīng)用領(lǐng)域ARM技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域及特點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用：隨著寬帶技術(shù)的推廣，采用ARM技術(shù)的ADSL芯片正逐步獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。此外，ARM在語音及視頻處理上進(jìn)行了優(yōu)化，并獲得廣泛支持，也對(duì)DSP的應(yīng)用領(lǐng)域提出了挑戰(zhàn)。消費(fèi)類電子產(chǎn)品：ARM技術(shù)在目前流行的數(shù)字音頻播放器、數(shù)字機(jī)頂盒和游戲機(jī)中得到廣泛采用。成像和安全產(chǎn)品：現(xiàn)在流行的數(shù)碼相機(jī)和打印機(jī)中絕大部分采用ARM技術(shù)。手機(jī)中的32位SIM智能卡也采用了ARM技術(shù)?！?ARM微處理器的特點(diǎn)—低功耗、低成本、高性能采用RISC指令集ARM技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域及特點(diǎn)低功耗、低成本、高性能使用大量的寄存器ARM/THUMB指令支持三/五級(jí)流水線7ARM微處理器的特點(diǎn)—采用RISC體系結(jié)構(gòu)ARM技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域及特點(diǎn)采用RISC架構(gòu)的ARM處理器一般具有如下特點(diǎn)：固定長度的指令格式，指令歸整、簡(jiǎn)單、基本尋址方式有2～3種；使用單周期指令，便于流水線操作執(zhí)行；大量使用寄存器，數(shù)據(jù)處理指令只對(duì)寄存器進(jìn)行操作，只有加載/存儲(chǔ)指令可以訪問存儲(chǔ)器，以提高指令的執(zhí)行效率。8ARM微處理器的特點(diǎn)—大量使用寄存器ARM技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域及特點(diǎn)ARM處理器共有37個(gè)寄存器，被分為若干個(gè)組，這些寄存器包括：31個(gè)通用寄存器，包括程序計(jì)數(shù)器（PC指針），均為32位的寄存器；6個(gè)狀態(tài)寄存器，用以標(biāo)識(shí)CPU的工作狀態(tài)及程序的運(yùn)行狀態(tài)，均為32位。9ARM微處理器的特點(diǎn)—高效的指令系統(tǒng)ARM技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域及特點(diǎn)ARM微處理器支持兩種指令集：ARM指令集和Thumb指令集。ARM指令為32位的長度，Thumb指令為16位長度。Thumb指令集為ARM指令集的功能子集，但與等價(jià)的ARM代碼相比較，可節(jié)省30％～40％以上的存儲(chǔ)空間，同時(shí)具備32位代碼的所有優(yōu)點(diǎn)。10ARM微處理理器的特點(diǎn)——其他技術(shù)ARM技術(shù)的的應(yīng)用領(lǐng)域及及特點(diǎn)除此以外，ARM體系結(jié)結(jié)構(gòu)還采用了了一些特別的的技術(shù)，在保保證高性能的的前提下盡量量縮小芯片的的面積，并降降低功耗：所有的ARM指令都可根根據(jù)前面的執(zhí)執(zhí)行結(jié)果決定定是否被執(zhí)行行，從而提高高指令的執(zhí)行行效率?？捎眉虞d/存存儲(chǔ)指令批量量傳輸數(shù)據(jù)，，以提高數(shù)據(jù)據(jù)的傳輸效率率。可在一條數(shù)據(jù)據(jù)處理指令中中同時(shí)完成邏邏輯處理和移移位處理。在循環(huán)處理中中使用地址的的自動(dòng)增減來來提高運(yùn)行效效率。11ARM微處理理器系列ARM微處理理器系列ARM7系列列ARM9系列列ARM9E系系列ARM10E系列SecurCore系列列Intel的的Xscale其中，ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10為4個(gè)通用處理理器系列，每每一個(gè)系列提提供一套相對(duì)對(duì)獨(dú)特的性能能來滿足不同同應(yīng)用領(lǐng)域的的需求。SecurCore系列專專門為安全要要求較高的應(yīng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)。。12ARM7微處處理器系列ARM7系列列是低功耗的的32位RISC處理器器，最適合用用于對(duì)價(jià)位和和功耗要求較較高的消費(fèi)類類應(yīng)用。ARM7系列有有如下特點(diǎn)：：具有嵌入式ICE－RT邏輯，調(diào)試試開發(fā)方便；；極低的功耗，，適合對(duì)功耗耗要求較高的的應(yīng)用，如便便攜式產(chǎn)品；；能夠提供0.9MIPS/MHz的三級(jí)流水水線結(jié)構(gòu)；兼容16位的的Thumb指令集，代代碼密度高；；對(duì)操作系統(tǒng)的的支持廣泛，，如WindowsCE、Linux、PalmOS等；指令系統(tǒng)與ARM9系列列、ARM9E系列和ARM10E系列兼容，，便于用戶的的產(chǎn)品升級(jí)換換代；主頻最高可達(dá)達(dá)130M，，高速的運(yùn)算算處理能力能能勝任絕大多多數(shù)的復(fù)雜應(yīng)應(yīng)用。ARM微處理理器系列13ARM7微處處理器系列ARM微處理理器系列主要應(yīng)用領(lǐng)域域：工業(yè)控制制、Internet設(shè)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和和調(diào)制解調(diào)器器設(shè)備、移動(dòng)動(dòng)電話等多種種多媒體和嵌嵌入式應(yīng)用。。ARM7系列列微處理器包包括如下幾種種類型的核：：ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、、ARM720T、ARM7EJ。。其中，ARM7TMDI是目前使使用最廣泛的的32位嵌入入式RISC處理器，屬屬低端ARM處理器核。。TDMI的的基本含義為為：T：支持16位壓縮指令令集Thumb；D：支持片上上Debug；M：內(nèi)嵌硬件件乘法器（Multiplier））I：嵌入式ICE，支持持片上斷點(diǎn)和和調(diào)試點(diǎn)；14ARM9微處處理器系列ARM微處理理器系列ARM9系列列微處理器在在高性能和低低功耗特性方方面提供最佳佳的表現(xiàn)。具具有以下特點(diǎn)點(diǎn)：5級(jí)流水線，，指令執(zhí)行效效率更高。提供1.1MIPS/MHz的哈佛佛結(jié)構(gòu)。支持32位ARM指令集集和16位Thumb指指令集。支持32位的的高速AMBA總線接口口。全性能的MMU，支持WindowsCE、、Linux、PalmOS等多多種主流嵌入入式操作系統(tǒng)統(tǒng)。MPU支持實(shí)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)統(tǒng)。支持?jǐn)?shù)據(jù)Cache和指指令Cache，具有更更高的指令和和數(shù)據(jù)處理能能力。15ARM9微處處理器系列ARM9系列微處理器器主要應(yīng)用于于無線設(shè)備、、儀器儀表、、安全系統(tǒng)、、機(jī)頂盒、高高端打印機(jī)、、數(shù)字照相機(jī)機(jī)和數(shù)字?jǐn)z像像機(jī)等。ARM微處理理器系列ARM9系列微處理器器包含ARM920T、ARM922T和ARM940T三種類型，以以適用于不同同的應(yīng)用場(chǎng)合合。16ARM9E微處理器系列列ARM微處理理器系列ARM9E系系列微處理器器的主要特點(diǎn)點(diǎn)如下：支持DSP指指令集，適合合于需要高速速數(shù)字信號(hào)處處理的場(chǎng)合。。5級(jí)流水線，，指令執(zhí)行效效率更高。支持32位ARM指令集集和16位Thumb指指令集。支持32位的的高速AMBA總線接口口。支持VFP9浮點(diǎn)處理協(xié)協(xié)處理器。全性能的MMU，支持眾眾多主流嵌入入式操作系統(tǒng)統(tǒng)。支持?jǐn)?shù)據(jù)Cache和指指令Cache，具有更更高的處理能能力。主頻最高可達(dá)達(dá)300M。。17ARM9E微微處理器系列列ARM9E系系列微處理器器主要應(yīng)用于于下一代無線線設(shè)備、數(shù)字字消費(fèi)品、成成像設(shè)備、工工業(yè)控制、存存儲(chǔ)設(shè)備和網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等領(lǐng)領(lǐng)域。ARM微處理理器系列ARM9E系系列微處理器器包含ARM926EJ-S、ARM946E-S和ARM966E-S三種類類型，以適用用于不同的應(yīng)應(yīng)用場(chǎng)合。18ARM10E微處理器系系列ARM微處理理器系列ARM10E系列微處理理器的主要特特點(diǎn)如下：支持DSP指指令集，適合合于需要高速速數(shù)字信號(hào)處處理的場(chǎng)合。。6級(jí)流水線，，指令執(zhí)行效效率更高。支持32位ARM指令集集和16位Thumb指指令集。支持32位的的高速AMBA總線接口口。支持VFP10浮點(diǎn)處理理協(xié)處理器。。全性能的MMU，支持眾眾多主流嵌入入式操作系統(tǒng)統(tǒng)。支持?jǐn)?shù)據(jù)Cache和指指令Cache，具有更更高的處理能能力主頻最高可達(dá)達(dá)400M。。內(nèi)嵌并行讀/寫操作部件件。19ARM10E微處理器系系列ARM10E系列微處理理器主要應(yīng)用用于下一代無無線設(shè)備、數(shù)數(shù)字消費(fèi)品、、成像設(shè)備、、工業(yè)控制、、通信和信息息系統(tǒng)等領(lǐng)域域。ARM微處理理器系列ARM10E系列微處理理器包含ARM1020E、ARM1022E和ARM1026EJ-S三種類類型，以適用用于不同的應(yīng)應(yīng)用場(chǎng)合。20SecurCore微處處理器系列ARM微處理理器系列SecurCore系列列微處理器除除了具有ARM體系結(jié)構(gòu)構(gòu)各種主要特特點(diǎn)外，還在在系統(tǒng)安全方方面具有如下下的特點(diǎn)：帶有靈活的保保護(hù)單元，確確保操作系統(tǒng)統(tǒng)和應(yīng)用數(shù)據(jù)據(jù)的安全。采用軟內(nèi)核技技術(shù)，防止外外部對(duì)其進(jìn)行行掃描探測(cè)。?？杉捎脩糇宰约旱陌踩靥匦院推渌麉f(xié)協(xié)處理器。21SecurCore微處處理器系列SecurCore系列列微處理器主主要應(yīng)用于一一些對(duì)安全性性要求較高的的應(yīng)用產(chǎn)品及及應(yīng)用系統(tǒng)，，如電子商務(wù)務(wù)、電子政務(wù)務(wù)、電子銀行行業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)絡(luò)和認(rèn)證系統(tǒng)統(tǒng)等領(lǐng)域。ARM微處理理器系列SecurCore系列列微處理器包包含SecurCoreSC100、SecurCoreSC110、SecurCoreSC200和SecurCoreSC210四四種類型，以以適用于不同同的應(yīng)用場(chǎng)合合。22StrongARM微處處理器系列ARM微處理理器系列IntelStrongARM處理器是便攜攜式通訊產(chǎn)品品和消費(fèi)類電電子產(chǎn)品的理理想選擇，已已成功應(yīng)用于于多家公司的的掌上電腦系系列產(chǎn)品。IntelStrongARMSA-1100處處理理器器是是采采用用ARM體體系系結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)高高度度集集成成的的32位位RISC微微處處理理器器。。它它融融合合了了Intel公公司司的的設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)和和處處理理技技術(shù)術(shù)以以及及ARM體體系系結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)的的電電源源效效率率，，采采用用在在軟軟件件上上兼兼容容ARMv4體體系系結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)、、同同時(shí)時(shí)采采用用具具有有Intel技技術(shù)術(shù)優(yōu)優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)的的體體系系結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)。。23Xscale處理理器器ARM微微處處理理器器系系列列Xscale處處理理器器是是基基于于ARMv5TE體體系系結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)的的解解決決方方案案，，是是一一款款全全性性能能、、高高性性價(jià)價(jià)比比、、低低功功耗耗的的處處理理器器。。它它支支持持16位位的的Thumb指指令令和和DSP指指令令集集，，已已使使用用在在數(shù)數(shù)字字移移動(dòng)動(dòng)電電話話、、個(gè)個(gè)人人數(shù)數(shù)字字助助理理和和網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)產(chǎn)產(chǎn)品品等等場(chǎng)場(chǎng)合合。。Xscale處處理理器器是是Intel目目前前主主要要推推廣廣的的一一款款A(yù)RM微微處處理理器器。。24ARM微微處處理理器器的的工工作作狀狀態(tài)態(tài)ARM微微處處理理器器的的工工作作狀狀態(tài)態(tài)從編編程程的的角角度度看看，，ARM微微處處理理器器的的工工作作狀狀態(tài)態(tài)一一般般有有兩兩種種，，并并可可在在兩兩種種狀狀態(tài)態(tài)之之間間切切換換：：ARM狀狀態(tài)態(tài)，，此此時(shí)時(shí)處處理理器器執(zhí)執(zhí)行行32位位的的字字對(duì)對(duì)齊齊的的ARM指指令令；；Thumb狀狀態(tài)態(tài)，，此此時(shí)時(shí)處處理理器器執(zhí)執(zhí)行行16位位的的、、半半字字對(duì)對(duì)齊齊的的Thumb指指令令。。25ARM與與THUMBTHUMB指指令令是是ARM指指令令的的子子集集ARM微微處處理理器器的的工工作作狀狀態(tài)態(tài)可以以相相互互調(diào)調(diào)用用，，只只要要遵遵循循一一定定的的調(diào)調(diào)用用規(guī)規(guī)則則Thumb指指令令與與ARM指指令令的的時(shí)時(shí)間間效效率率和和空空間間效效率率關(guān)關(guān)系系為為:存儲(chǔ)儲(chǔ)空空間間約約為為ARM代代碼碼的的60％％～～70％％指令令數(shù)數(shù)比比ARM代代碼碼多多約約30％％～～40％％存儲(chǔ)儲(chǔ)器器為為32位位時(shí)時(shí)ARM代代碼碼比比Thumb代代碼碼快快約約40％％存儲(chǔ)儲(chǔ)器器為為16位位時(shí)時(shí)Thumb比比ARM代代碼碼快快約約40～～50％％使用用Thumb代代碼碼，，存存儲(chǔ)儲(chǔ)器器的的功功耗耗會(huì)會(huì)降降低低約約30％％26狀態(tài)態(tài)切切換換方方法法ARM指指令令集集和和Thumb指指令令集集均均有有切切換換處處理理器器狀狀態(tài)態(tài)的的指指令令，，并并可可在在兩兩種種工工作作狀狀態(tài)態(tài)之之間間切切換換，，ARM微微處處理理器器的的工工作作狀狀態(tài)態(tài)在開開始始執(zhí)執(zhí)行行代代碼碼時(shí)時(shí)，，處處于于ARM狀狀態(tài)態(tài)。。27進(jìn)入入Thumb狀狀態(tài)態(tài)當(dāng)操操作作數(shù)數(shù)寄寄存存器器的的狀狀態(tài)態(tài)位位（（位位0））為為1時(shí)時(shí)，，可可以以采采用用執(zhí)執(zhí)行行BX指指令令的的方方法法，，使使微微處處理理器器從從ARM狀狀態(tài)態(tài)切切換換到到Thumb狀狀態(tài)態(tài)。。當(dāng)處處理理器器處處于于Thumb狀狀態(tài)態(tài)時(shí)時(shí)發(fā)發(fā)生生異異常常（（如如IRQ、、FIQ、、Undef、、Abort、、SWI等等）），，則則異異常常處處理理返返回回時(shí)時(shí)，，自自動(dòng)動(dòng)切切換換到到Thumb狀狀態(tài)態(tài)。。ARM微微處處理理器器的的工工作作狀狀態(tài)態(tài)28切換換到到ARM狀狀態(tài)態(tài)當(dāng)操操作作數(shù)數(shù)寄寄存存器器的的狀狀態(tài)態(tài)位位為為0時(shí)時(shí)，，執(zhí)執(zhí)行行BX指指令令時(shí)時(shí)可可以以使使微微處處理理器器從從Thumb狀狀態(tài)態(tài)切切換換到到ARM狀狀態(tài)態(tài)。。ARM微微處處理理器器的的工工作作狀狀態(tài)態(tài)在處處理理器器進(jìn)進(jìn)行行異異常常處處理理時(shí)時(shí)，，把把PC指指針針放放入入異異常常模模式式鏈鏈接接寄寄存存器器中中，，并并從從異異常常向向量量地地址址開開始始執(zhí)執(zhí)行行程程序序，，也也可可以以使使處處理理器器切切換換到到ARM狀狀態(tài)態(tài)。。29處理理器器模模式式ARM微微處處理理器器的的工工作作模模式式usr：：ARM處處理理器器正正常常的的程程序序執(zhí)執(zhí)行行狀狀態(tài)態(tài)fiq：：用用于于高高速速數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)傳傳輸輸或或通通道道處處理理irq：：用用于于通通用用的的中中斷斷處處理理svc：：操操作作系系統(tǒng)統(tǒng)使使用用的的保保護(hù)護(hù)模模式式abt：：用用于于虛虛擬擬存存儲(chǔ)儲(chǔ)及及存存儲(chǔ)儲(chǔ)保保護(hù)護(hù)sys：：運(yùn)運(yùn)行行具具有有特特權(quán)權(quán)的的操操作作系系統(tǒng)統(tǒng)任任務(wù)務(wù)und：：當(dāng)當(dāng)出出現(xiàn)現(xiàn)未未定定義義指指令令終終止止時(shí)時(shí)進(jìn)進(jìn)入入該該模模式式30用戶戶模模式式和和特特權(quán)權(quán)模模式式ARM微微處處理理器器的的工工作作模模式式除了了用用戶戶模模式式之之外外的的其其他他6種種處處理理器器模模式式稱稱為為特特權(quán)權(quán)模模式式特權(quán)權(quán)模模式式下下，，程程序序可可以以訪訪問問所所有有的的系系統(tǒng)統(tǒng)資資源源，，也也可可以以任任意意地地進(jìn)進(jìn)行行處處理理器器模模式式的的切切換換。。特權(quán)權(quán)模模式式中中，，除除系系統(tǒng)統(tǒng)模模式式外外，，其其他他5種種模模式式又又稱稱為為異異常常模模式式大多多數(shù)數(shù)的的用用戶戶程程序序運(yùn)運(yùn)行行在在用用戶戶模模式式下下，，此此時(shí)時(shí)，，應(yīng)應(yīng)用用程程序序不不能能夠夠訪訪問問一一些些受受操操作作系系統(tǒng)統(tǒng)保保護(hù)護(hù)的的系系統(tǒng)統(tǒng)資資源源，，應(yīng)應(yīng)用用程程序序也也不不能能直直接接進(jìn)進(jìn)行行處處理理器器模模式式的的切切換換。。用戶戶模模式式下下，，當(dāng)當(dāng)需需要要進(jìn)進(jìn)行行處處理理器器模模式式切切換換時(shí)時(shí)，，應(yīng)應(yīng)用用程程序序可可以以產(chǎn)產(chǎn)生生異異常常處處理理，，在在異異常常處處理理中中進(jìn)進(jìn)行行處處理理器器模模式式的的切切換換。。31模式切換換ARM微微處理器器的工作作模式處理器模模式可以以通過軟軟件進(jìn)行行切換，，也可以以通過外外部中斷斷或者異異常處理理過程進(jìn)進(jìn)行切換換。當(dāng)應(yīng)用程程序發(fā)生生異常中中斷時(shí)，，處理器器進(jìn)入相相應(yīng)的異異常模式式。在每每一種異異常模式式下都有有一組寄寄存器，，供相應(yīng)應(yīng)的異常常處理程程序使用用，這樣樣就可以以保證在在進(jìn)入異異常模式式時(shí)，用用戶模式式下的寄寄存器不不被破壞壞。系統(tǒng)模模式并并不是是通過過異常常進(jìn)入入的，，它和和用戶戶模式式具有有完全全一樣樣的寄寄存器器。但但是系系統(tǒng)模模式屬屬于特特權(quán)模模式，，可以以訪問問所有有的系系統(tǒng)資資源，，也可可以直直接進(jìn)進(jìn)行處處理器器模式式切換換。它它主要要供操操作系系統(tǒng)任任務(wù)使使用。。通常常操作作系統(tǒng)統(tǒng)的任任務(wù)需需要訪訪問所所有的的系統(tǒng)統(tǒng)資源源，同同時(shí)該該任務(wù)務(wù)仍然然使用用用戶戶模式式的寄寄存器器組，，而不不是使使用異異常模模式下下相應(yīng)應(yīng)的寄寄存器器組，，這樣樣可以以保證證當(dāng)異異常中中斷發(fā)發(fā)生時(shí)時(shí)任務(wù)務(wù)狀態(tài)態(tài)不被被破壞壞。32ARM微處處理器器的存存儲(chǔ)器器格式式ARM體系系結(jié)構(gòu)構(gòu)所支支持的的最大大尋址址空間間為4GB（232字節(jié)））ARM微處處理器器的存存儲(chǔ)器器格式式ARM體系系結(jié)構(gòu)構(gòu)將存存儲(chǔ)器器看作作是從從零地地址開開始的的字節(jié)節(jié)的線線性組組合。。從零零字節(jié)節(jié)到三三字節(jié)節(jié)放置置第一一個(gè)存存儲(chǔ)的的字?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)，，從第第四個(gè)個(gè)字節(jié)節(jié)到第第七個(gè)個(gè)字節(jié)節(jié)放置置第二二個(gè)存存儲(chǔ)的的字?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)，，依次次排列列。ARM體系系結(jié)構(gòu)構(gòu)可以以用兩兩種方方法存存儲(chǔ)字字?jǐn)?shù)據(jù)據(jù)，稱稱之為為大端端格式式和小小端格格式33ARM體系系結(jié)構(gòu)構(gòu)的存存儲(chǔ)器器格式式—大端格格式ARM微處處理器器的存存儲(chǔ)器器格式式在這種種格式式中，，字?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)的的高字字節(jié)存存儲(chǔ)在在低地地址中中，而而字?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)的的低字字節(jié)則則存放放在高高地址址中34ARM體系系結(jié)構(gòu)構(gòu)的存存儲(chǔ)器器格式式—小端格格式ARM微處處理器器的存存儲(chǔ)器器格式式與大端端存儲(chǔ)儲(chǔ)格式式相反反，在在小端端存儲(chǔ)儲(chǔ)格式式中，，低地地址中中存放放的是是字?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)的的低字字節(jié)，，高地地址存存放的的是字字?jǐn)?shù)據(jù)據(jù)的高高字節(jié)節(jié)35指令長長度及及數(shù)據(jù)據(jù)類型型ARM微處處理器器的指指令長長度可可以是是32位（（在ARM狀態(tài)態(tài)下）），也也可以以為16位位（在在Thumb狀狀態(tài)下下）。。ARM微處處理器器的存存儲(chǔ)器器格式式ARM微處處理器器中支支持字字節(jié)（（8位位）、、半字字（16位位）、、字（（32位））三種種數(shù)據(jù)據(jù)類型型，其其中，，字需需要4字節(jié)節(jié)對(duì)齊齊（地地址的的低兩兩位為為0））、半半字需需要2字節(jié)節(jié)對(duì)齊齊（地地址的的最低低位為為0））36非對(duì)齊齊的存存儲(chǔ)訪訪問操操作在ARM中中，如如果存存儲(chǔ)單單元的的地址址沒有有遵守守對(duì)齊齊規(guī)則則，則則稱為為非對(duì)對(duì)齊的的存儲(chǔ)儲(chǔ)訪問問操作作。ARM微處處理器器的存存儲(chǔ)器器格式式非對(duì)齊齊的指指令預(yù)預(yù)取操操作非對(duì)齊齊的數(shù)數(shù)據(jù)訪訪問操操作37非對(duì)齊齊的指指令預(yù)預(yù)取操操作當(dāng)處理理器處處于ARM狀態(tài)態(tài)期間間，如如果寫寫入到到寄存存器PC中中的值值是非非字對(duì)對(duì)齊的的，要要么指指令執(zhí)執(zhí)行的的結(jié)果果不可可預(yù)知知，要要么地地址值值中最最低兩兩位被被忽略略。ARM微處處理器器的存存儲(chǔ)器器格式式當(dāng)處理理器處處于THUMB狀態(tài)態(tài)期間間，如如果寫寫入到到寄存存器PC中中的值值是非非半字字對(duì)齊齊的，，要么么指令令執(zhí)行行的結(jié)結(jié)果不不可預(yù)預(yù)知，，要么么地址址值中中最低低位被被忽略略。38非對(duì)齊齊的數(shù)數(shù)據(jù)訪訪問操操作對(duì)于Load/Store操操作，，如果果是非非對(duì)齊齊的數(shù)數(shù)據(jù)訪訪問操操作，，系統(tǒng)統(tǒng)定義義了三三種可可能的的結(jié)果果：ARM微處處理器器的存存儲(chǔ)器器格式式執(zhí)行的的結(jié)果果不可可預(yù)知知忽略字字單元元地址址的低低兩位位的值值，即即訪問問地址址為(addressAND0XFFFFFFFC)的的字單單元；；忽略略半字字單元元地址址的最最低位位的值值，即即訪問問地址址為(addressAND0XFFFFFFFE)的的半字字單元元。忽略字字單元元地址址的低低兩位位的值值；或或忽略略半字字單元元地址址的最最低位位的值值；由由存儲(chǔ)儲(chǔ)系統(tǒng)統(tǒng)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)這種種忽略略。也也就是是說，，這時(shí)時(shí)該地地址值值原封封不動(dòng)動(dòng)地送送到存存儲(chǔ)系系統(tǒng)。。當(dāng)發(fā)生生非對(duì)對(duì)齊的的數(shù)據(jù)據(jù)訪問問時(shí)，，到底底采用用上述述三種種方法法中的的哪一一種，，是由由各指指令指指定的的。39寄存器器組織織ARM微處處理器器共有有37個(gè)32位位寄存存器，，其中中31個(gè)為為通用用寄存存器，，6個(gè)個(gè)為狀狀態(tài)寄寄存器器。但但是這這些寄寄存器器不能能被同同時(shí)訪訪問，，具體體哪些些寄存存器是是可編編程訪訪問的的，取取決微微處理理器的的工作作狀態(tài)態(tài)及具具體的的運(yùn)行行模式式。但但在任任何時(shí)時(shí)候，，通用用寄存存器R14～R0、、程序序計(jì)數(shù)數(shù)器PC、、一個(gè)個(gè)或兩兩個(gè)狀狀態(tài)寄寄存器器都是是可訪訪問的的。ARM微處處理器器的寄寄存器器格式式40ARM狀態(tài)態(tài)下的的寄存存器組組織通用寄寄存器器：通通用寄寄存器器包括括R0～R15，可可以分分為三三類：：未分組組寄存存器R0～～R7分組寄寄存器器R8～R14程序計(jì)計(jì)數(shù)器器PC(R15)ARM微處處理器器的寄寄存器器格式式41ARM狀態(tài)態(tài)下的的寄存存器組組織ARM微處處理器器的寄寄存器器格式式42未分組組寄存存器R0～～R7ARM微處處理器器的寄寄存器器格式式在所有有的運(yùn)運(yùn)行模模式下下，未未分組組寄存存器都都指向向同一一個(gè)物物理寄寄存器器，他他們未未被系系統(tǒng)用用作特特殊的的用途途，因因此，，在中中斷或或異常常處理理進(jìn)行行運(yùn)行行模式式轉(zhuǎn)換換時(shí)，，由于于不同同的處處理器器運(yùn)行行模式式均使使用相相同的的物理理寄存存器，，可能能會(huì)造造成寄寄存器器中數(shù)數(shù)據(jù)的的破壞壞，這這一點(diǎn)點(diǎn)在進(jìn)進(jìn)行程程序設(shè)設(shè)計(jì)時(shí)時(shí)應(yīng)引引起注注意。。43分組寄寄存器器R8～R12ARM微處處理器器的寄寄存器器格式式每次所所訪問問的物物理寄寄存器器與處處理器器當(dāng)前前的運(yùn)運(yùn)行模模式有有關(guān)R8～～R12：：每個(gè)個(gè)寄存存器對(duì)對(duì)應(yīng)兩兩個(gè)不不同的的物理理寄存存器當(dāng)使用用fiq模模式時(shí)時(shí)，訪訪問寄寄存器器R8_fiq～R12_fiq；當(dāng)使用用除fiq模式式以外外的其其他模模式時(shí)時(shí)，訪訪問寄寄存器器R8_usr～R12_usr。44分組寄寄存器器R13～～R14ARM微處處理器器的寄寄存器器格式式R13、R14：每每個(gè)寄寄存器器對(duì)應(yīng)應(yīng)6個(gè)個(gè)不同同的物物理寄寄存器器其中的的一個(gè)個(gè)是用用戶模模式與與系統(tǒng)統(tǒng)模式式共用用，另另外5個(gè)物物理寄寄存器器對(duì)應(yīng)應(yīng)于其其他5種不不同的的運(yùn)行行模式式采用以以下的的記號(hào)號(hào)來區(qū)區(qū)分不不同的的物理理寄存存器：：R13_<mode>R14_<mode>mode為為以下下幾種種之一一：usr、fiq、irq、svc、abt、und。45堆棧指指針——R13ARM微處處理器器的寄寄存器器格式式R13在ARM指令令中常常用作作堆棧棧指針針，但但這只只是一一種習(xí)習(xí)慣用用法，，用戶戶也可可使用用其他他的寄寄存器器作為為堆棧棧指針針。在Thumb指指令集集中，，某些些指令令強(qiáng)制制性的的要求求使用用R13作作為堆堆棧指指針。。由于處處理器器的每每種運(yùn)運(yùn)行模模式均均有自自己獨(dú)獨(dú)立的的物理理寄存存器R13，在在初始始化部部分，，都要要初始始化每每種模模式下下的R13，這這樣，，當(dāng)程程序的的運(yùn)行行進(jìn)入入異常常模式式時(shí)，，可以以將需需要保保護(hù)的的寄存存器放放入R13所指指向的的堆棧棧，而而當(dāng)程程序從從異常常模式式返回回時(shí)，，則從從對(duì)應(yīng)應(yīng)的堆堆棧中中恢復(fù)復(fù)。46子程序序連接接寄存存器——R14ARM微處處理器器的寄寄存器器格式式R14也稱稱作子子程序序連接接寄存存器或或連接接寄存存器LR。。當(dāng)執(zhí)執(zhí)行BL子子程序序調(diào)用用指令令時(shí)，，可以以從R14中得得到R15（程程序計(jì)計(jì)數(shù)器器PC）的的備份份。其其他情情況下下，R14用作作通用用寄存存器。。在每一種運(yùn)運(yùn)行模式下下，都可用用R14保保存子程序序的返回地地址，當(dāng)用用BL或BLX指令令調(diào)用子程程序時(shí)，將將下一條指指令的地址址值拷貝給給R14，，執(zhí)行完子子程序后，，又將R14的值拷拷貝回PC，即可完完成子程序序的調(diào)用返返回。BL SUB1……SUB1: STMFDSP!,{<regs>,LR}/*將R14存入堆棧棧*/……LDMFD SP?。?{<regs>,PC}/*完成成子程序返返回*/47程序計(jì)數(shù)器器PC(R15)ARM微處處理器的寄寄存器格式式ARM狀態(tài)態(tài)下，位[1:0]為0，位位[31:2]用于于保存PC；Thumb狀態(tài)下，，位[0]為0，位位[31:1]用于于保存PC；R15雖然然也可用作作通用寄存存器，但一一般不這么么使用，因因?yàn)閷?duì)R15的使用用有一些特特殊的限制制，當(dāng)違反反了這些限限制時(shí)，程程序的執(zhí)行行結(jié)果是未未知的。由于ARM體系結(jié)構(gòu)采采用了多級(jí)級(jí)流水線技技術(shù)，對(duì)于于ARM指令集而言言，PC總是指向當(dāng)當(dāng)前指令的的下兩條指指令的地址址，即PC的值為當(dāng)前前指令的地地址值加8個(gè)字節(jié)。48程序狀態(tài)寄寄存器(CPSR/SPSR)CPSR(當(dāng)前程序狀狀態(tài)寄存器器)，CPSR可在任何運(yùn)運(yùn)行模式下被被訪問，它它包括條件件標(biāo)志位、、中斷禁止止位、當(dāng)前前處理器模模式標(biāo)志位位，以及其其他一些相相關(guān)的控制制和狀態(tài)位位。ARM微處處理器的寄寄存器格式式每一種運(yùn)行行模式下又又都有一個(gè)個(gè)專用的物物理狀態(tài)寄寄存器，稱稱為SPSR(備份份的程序狀狀態(tài)寄存器器），異常常發(fā)生時(shí)，，SPSR用于保存存CPSR的值，從從異常退出出時(shí)則可由由SPSR來恢復(fù)CPSR。。由于用戶模模式和系統(tǒng)統(tǒng)模式不屬屬于異常模模式，他們們沒有SPSR，當(dāng)當(dāng)在這兩種種模式下訪訪問SPSR，結(jié)果果是未知的的。49Thumb狀態(tài)下的的寄存器組組織Thumb狀態(tài)下的的寄存器集集是ARM狀態(tài)下寄寄存器集的的一個(gè)子集集ARM微處處理器的寄寄存器格式式程序可以直直接訪問8個(gè)通用寄寄存器（R7～R0）、程序序計(jì)數(shù)器（（PC）、、堆棧指針針（SP））、連接寄寄存器（LR）和CPSR。。同樣，每一一種特權(quán)模模式下都有有一組SP、LR和和SPSR。50Thumb狀態(tài)下的的寄存器組組織圖ARM微處處理器的寄寄存器格式式51Thumb狀態(tài)下的的寄存器與與ARM狀狀態(tài)下的寄寄存器關(guān)系系A(chǔ)RM微處處理器的寄寄存器格式式Thumb狀態(tài)下和和ARM狀狀態(tài)下的R0～R7是相同的的。Thumb狀態(tài)下和和ARM狀狀態(tài)下的CPSR和和所有的SPSR是是相同的。。Thumb狀態(tài)下的的SP對(duì)應(yīng)應(yīng)于ARM狀態(tài)下的的R13。。Thumb狀態(tài)下的的LR對(duì)應(yīng)應(yīng)于ARM狀態(tài)下的的R14。。Thumb狀態(tài)下的的程序計(jì)數(shù)數(shù)器對(duì)應(yīng)于于ARM狀狀態(tài)下R15。52Thumb狀態(tài)下的的寄存器與與ARM狀狀態(tài)下的寄寄存器關(guān)系系圖ARM微處處理器的寄寄存器格式式53訪問THUMB狀態(tài)態(tài)下的高位位寄存器（（Hi-registers）在Thumb狀態(tài)下下，高位寄寄存器R8～R15并不是標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)寄存器器集的一部部分，但可可使用匯編編語言程序序受限制的的訪問這些些寄存器，，將其用作作快速的暫暫存器。ARM微處處理器的寄寄存器格式式使用帶特殊殊變量的MOV指令令，數(shù)據(jù)可可以在低位位寄存器和和高位寄存存器之間進(jìn)進(jìn)行傳送；；高位寄存存器的值可可以使用CMP和ADD指令令進(jìn)行比較較或加上低低位寄存器器中的值。。54程序狀態(tài)寄寄存器ARM微處處理器的寄寄存器格式式ARM體系系結(jié)構(gòu)包含含一個(gè)當(dāng)前前程序狀態(tài)態(tài)寄存器（（CPSR）和五個(gè)個(gè)備份的程程序狀態(tài)寄寄存器（SPSRs）。備份份的程序狀狀態(tài)寄存器器用來進(jìn)行行異常處理理，其功能能包括：保存ALU中的當(dāng)前前操作信息息控制允許和和禁止中斷斷設(shè)置處理器器的運(yùn)行模模式55程序狀態(tài)寄寄存器的每每一位的安安排ARM微處處理器的寄寄存器格式式56程序狀態(tài)寄寄存器的條件碼標(biāo)志志N、Z、C、V均為為條件碼標(biāo)標(biāo)志位。它它們的內(nèi)容容可被算術(shù)術(shù)或邏輯運(yùn)運(yùn)算的結(jié)果果所改變，，并且可以以決定某條條指令是否否被執(zhí)行ARM微處處理器的寄寄存器格式式在ARM狀狀態(tài)下，絕絕大多數(shù)的的指令都是是有條件執(zhí)執(zhí)行的。在Thumb狀態(tài)下下，僅有分分支指令是是有條件執(zhí)執(zhí)行的。57標(biāo)志位的含含義標(biāo)志位含

義N當(dāng)用兩個(gè)補(bǔ)碼表示的帶符號(hào)數(shù)進(jìn)行運(yùn)算時(shí)，N=1表示運(yùn)算的結(jié)果為負(fù)數(shù)；N=0表示運(yùn)算的結(jié)果為正數(shù)或零；ZZ=1表示運(yùn)算的結(jié)果為零；Z=0表示運(yùn)算的結(jié)果為非零；C加法運(yùn)算結(jié)果進(jìn)位時(shí)，C=1，減法運(yùn)算借位時(shí)，C=0；移位操作的非加/減運(yùn)算指令，C為移出的最后一位；其他的非加/減運(yùn)算指令，C的值通常不改變。V加/減法運(yùn)算指令，V=1表示符號(hào)位溢出。對(duì)于其他的非加/減運(yùn)算指令，C的值通常不改變。Q在ARMv5及以上版本的E系列處理器中，Q標(biāo)志指示DSP運(yùn)算指令是否溢出。在其他版本中，Q標(biāo)志位無定義。ARM微處處理器的寄寄存器格式式58程序狀態(tài)寄寄存器的控制位狀態(tài)寄存器器的低8位位（I、F、T和M[4：0]）稱為為控制位，，發(fā)生異常常時(shí)這些位位可以被改改變。如果果處理器運(yùn)運(yùn)行特權(quán)模式，這些位也也可以由程程序修改。。ARM微處處理器的寄寄存器格式式中斷禁止位位I、F：：I=1禁禁止IRQ中斷斷;F=1禁禁止FIQ中斷斷。T標(biāo)志位：：該位反映映處理器的的運(yùn)行狀態(tài)態(tài)ARM體系系結(jié)構(gòu)v5及以上的的版本的T系列處理理器，當(dāng)該該位為1時(shí)時(shí)，程序運(yùn)運(yùn)行于Thumb狀狀態(tài)，否則則運(yùn)行于ARM狀態(tài)態(tài)。ARM體系系結(jié)構(gòu)v5及以上的的版本的非非T系列處處理器，當(dāng)當(dāng)該位為1時(shí)，執(zhí)行行下一條指指令以引起起未定義的的指令異常常；當(dāng)該位位為0時(shí)，，表示運(yùn)行行于ARM狀態(tài)。運(yùn)行模式位位M[4：：0]是模模式位，決決定處理器器的運(yùn)行模模式59處理器運(yùn)行行模式及可可以訪問的的寄存器M[4：0]處理器模式可訪問的寄存器0b10000用戶模式PC，CPSR,R0-R140b10001FIQ模式PC，CPSR,SPSR_fiq，R14_fiq-R8_fiq,R7～R00b10010IRQ模式PC，CPSR,SPSR_irq，R14_irq,R13_irq,R12～R00b10011管理模式PC，CPSR,SPSR_svc，R14_svc,R13_svc,R12～R0,0b10111中止模式PC，CPSR,SPSR_abt，R14_abt,R13_abt,R12～R0,0b11011未定義模式PC，CPSR,SPSR_und，R14_und,R13_und,R12～R0,0b11111系統(tǒng)模式PC，CPSR（ARMv4及以上版本）,R14～R0ARM微處處理器的寄寄存器格式式60異常（Exceptions）當(dāng)正常的程程序執(zhí)行流流程發(fā)生暫暫時(shí)的停止止時(shí)，稱之之為異常，，例如處理理一個(gè)外部部的中斷請(qǐng)請(qǐng)求。在處處理異常之之前，當(dāng)前前處理器的的狀態(tài)必須須保留，這這樣當(dāng)異常常處理完成成之后，當(dāng)當(dāng)前程序可可以繼續(xù)執(zhí)執(zhí)行。處理理器允許多多個(gè)異常同同時(shí)發(fā)生，，它們將會(huì)會(huì)按固定的的優(yōu)先級(jí)進(jìn)進(jìn)行處理。。ARM異常處處理ARM體系結(jié)結(jié)構(gòu)中的異常常，與8位/16位體系系結(jié)構(gòu)的中斷斷有很大的相相似之處，但但異常與中斷斷的概念并不不完全等同。。61ARM體系結(jié)結(jié)構(gòu)所支持的的異常類型異常類型具體含義復(fù)位復(fù)位電平有效時(shí)，產(chǎn)生復(fù)位異常，程序跳轉(zhuǎn)到復(fù)位處理程序處執(zhí)行。未定義指令遇到不能處理的指令時(shí)，產(chǎn)生未定義指令異常。軟件中斷執(zhí)行SWI指令產(chǎn)生，用于用戶模式下的程序調(diào)用特權(quán)操作指令。指令預(yù)取中止處理器預(yù)取指令的地址不存在，或該地址不允許當(dāng)前指令訪問，產(chǎn)生指令預(yù)取中止異常。數(shù)據(jù)中止處理器數(shù)據(jù)訪問指令的地址不存在，或該地址不允許當(dāng)前指令訪問時(shí)，產(chǎn)生數(shù)據(jù)中止異常。IRQ外部中斷請(qǐng)求有效，且CPSR中的I位為0時(shí)，產(chǎn)生IRQ異常。FIQ快速中斷請(qǐng)求引腳有效，且CPSR中的F位為0時(shí)，產(chǎn)生FIQ異常。ARM異常處處理62對(duì)異常的響應(yīng)應(yīng)ARM異常處處理當(dāng)一個(gè)異常出出現(xiàn)以后，ARM微處理理器會(huì)執(zhí)行以以下幾步操作作將下一條指令令的地址存入入相應(yīng)連接寄寄存器LR，，以便程序在在處理異常返返回時(shí)能從正正確的位置重重新開始執(zhí)行行。將CPSR復(fù)復(fù)制到相應(yīng)的的SPSR中中。根據(jù)異常類型型，強(qiáng)制設(shè)置置CPSR的的運(yùn)行模式位位。強(qiáng)制PC從相相關(guān)的異常向向量地址取下下一條指令執(zhí)執(zhí)行，從而跳跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的的異常處理程程序處。63R14_<Exception_Mode>=ReturnLinkSPSR_<Exception_Mode>=CPSRCPSR[4:0]=ExceptionModeNumberCPSR[5]=0If<Exception_Mode>==ResetorFIQthenCPSR[6]=1CPSR[7]=1PC=ExceptionVectorAddress異常響應(yīng)偽代代碼ARM異常處處理處理器處于Thumb狀狀態(tài)，則當(dāng)異異常向量地址址加載入PC時(shí)，處理器器自動(dòng)切換到到ARM狀態(tài)態(tài)。ARM微微處理器對(duì)異異常的響應(yīng)過過程用偽碼可可以描述為：：在ARM狀態(tài)態(tài)下執(zhí)行禁止快速中斷斷禁止正常中斷斷轉(zhuǎn)入異常入口口地址64從異常返回ARM異常處處理異常處理完畢畢之后，ARM微處理器器會(huì)執(zhí)行以下下幾步操作從從異常返回：：將連接寄存器器LR的值減減去相應(yīng)的偏偏移量后送到到PC中。將SPSR復(fù)復(fù)制回CPSR中。若在進(jìn)入異常常處理時(shí)設(shè)置置了中斷禁止止位，要在此此清除?？梢哉J(rèn)為應(yīng)用用程序總是從從復(fù)位異常處處理程序開始始執(zhí)行的，因因此復(fù)位異常常處理程序不不需要返回。。65FIQ（FastInterruptRequest）FIQ異常是是為了支持?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)傳輸或者者通道處理而而設(shè)計(jì)的。ARM異常處處理若將CPSR的F位置為為1，則會(huì)禁禁止FIQ中中斷，若將CPSR的F位清零，處處理器會(huì)在指指令執(zhí)行時(shí)檢檢查FIQ的的輸入。注意意只有在特權(quán)權(quán)模式下才能能改變F位的的狀態(tài)。可由外部通過過對(duì)處理器上上的nFIQ引腳輸入低低電平產(chǎn)生FIQ。不管管是在ARM狀態(tài)還是在在Thumb狀態(tài)下進(jìn)入