ARM7体系结构

ARM7体系结构

之前有提到嵌入式系统的目标就是将计算机芯片化，集成为单片微型计算机，满足对象体系的控制要求。为了实现这一轻便的性能，提供更大的灵活性和更高的智能化，ARM内核采用精简指令集计算机体系结构——RISC，它的逻辑简单，指令集少。

这里有必要说一下RISC结构体系的特征：

1. 具有大量的通用寄存器
2. 通过装载/保存结构使用独立的load和store指令，完成数据在寄存器和外部存储器之间的传送。其中需要说明的是，处理器只处理寄存器中的数据。这样可以加快访问速度，因为不必每次访问存储器。

ARM体系结构还有如下特征：

1. load/store进行批量数据传输，实现最大数据吞吐量。
2. 每条数据指令可以同时包含算数逻辑单元ALU的运算和移位处理。地址自动增加，自动减少的寻址方式，优化程序中的循环处理。
3. 大多数ARM指令是条件执行的。

RISC的缺点：

功能少

ARM处理器的系列：

M：微控制处理器

成本低，体积小，引脚数目少，Cortex-M3采用纯Thumb2指令执行方式，32位高性能ARM内核能够实现8位和16位处理器级数的代码存储密度，非常适用于几K的存储器MCU市场

R：实时处理器

按照我的理解，应该是因为有很多的中断，实现其实时性

A：应用处理器

性能最好，效能最高

在ARM7系列中，可以使用Embedded ICE JTAG进行在线调试

ARM7TDMI

T: 支持Thumb D: 在线调试 M: 双字相乘 I: 硬件仿真

存储器的字和半字

ARM处理器直接支持8位的字节，16位的半字和32位的字，其中以能被4整除的地址开始连续的4个字节构成一个字，从偶数地址开始连续的2个字节构成一个半字——ARM指令的长度为一个字（四个字节），Thumb指令的长度为一个半字（两个字节）
即ARM为32位的字，Thumb为16位的半字
注意：由于不管是ARM还是Thunb，地址都是偶数，因此bit0位一定是为0，ARM属于字对齐，bit1和bit0都为0，Thumb半字对齐，仅有bit0为0.

三级流水线

流水线的三个阶段分别为：取指，译码，执行
注意：ARM正在执行第一条指令的同时对第二条指令进行译码，并将第三条指令从存储器中取出。只有在取第四条指令时，第一条指令才算正真完成执行。
若将正在执行的指令作为参考点，称为第一条指令，则PC总是指向第三条指令，即：PC总指向正在执行的指令再加2条指令地址
ARM状态时：PC=当前指令位置+8字节
Thumb状态时：PC=当前指令位置+4字节
例如：

0x4000 ADD PC,PC,#4       ;正执行的命令，将PC+4赋给PC（找准PC的值）
0X4004 ...                ;被译码的命令
0X4008 ...                ;被取指的命令（PC总是指向正执行命令的地址再加2条指令地址，及现在这个地址，0X4008）
0X400C ...                ;PC是0x4008,加上4之后为现在这个地址0X400C

ARM处理器的状态

当前程序状态寄存器CPSR中的控制位T反应处理器正在操作的状态，状态切换时不影响模式和寄存器的内容

ARM：T=0

上电默认状态也是ARM，32位

Thumb：T=1

16位
两者不能混合使用，内核必须切换状态才可以，切换的指令有BX（有条件跳转，检测R0的最低位，为0则为ARM，为1则为Thumb）,BXL（无条件跳转）

;从ARM状态切换到Thumb状态
          CODE32
          LDR   R0，=Lable+1        ;R0的bit0=1，BX自动将CPSR中T置1
          BX    R0                  ;切换到Thumb状态，跳转到Lable
          CODE16                    ;Thumb指令
Lable  MOV   R1, #12
;从Thumb状态切换到ARM状态
          CODE16     ;Thumb指令
          LDR    R0，=Lable      ;R0的bit0为0，BX将CPSR中T置0
          BX      R0     ;切换到ARM指令
          CODE32
Lable   MOV  R1,#10

ARM处理器模式（7种）

用户模式

正常工作状态，不能由此切换到其他状态

系统模式

用户模式和系统模式不能由异常进入，想要进入系统模式，必须修改CPSR才能实现
如下：管理模式切换到系统模式：

MSR   CPSR_c,#(NoInt | SYS32Mode)

特权模式，与用户模式类似，但可以切换到其他模式，与用户模式共用相同寄存器

未定义模式

中断模式

快速中断模式

管理模式

中止模式

这五种属于异常模式，只有当相应的异常相应时，才能进入。

ARM内部寄存器

ARM共有37个寄存器，其中31个32位的都用了，另外有6个32位的仅用了12位。

ARM状态下的寄存器

一般通用

R0~R7

堆栈指针R13（SP）

保护待使用的寄存器里的内容

链接寄存器R14（LR）

保护现场返回地址，子程序的返回地址将自动的存入到R14中，当程序结束后，将R14复制到程序计数器PC中，实现子程序的返回
执行如下任何一条指令都OK

MOV  PC,LR
BX  LR

在子程序入口，使用STMFD指令将R14和其它寄存器的内容保存到堆栈SP中

STMFD  SP!,{<registers>,LR}

在子程序结束时，使用批量寄存器读取指令LDMFD，将返回地址从堆栈中复制到程序计数器PC中，实现子程序返回

程序计数器R15（PC）

当前程序状态寄存器，P15（PC）总是指向正在取指的指令。若无其他跳转指令，则PC将自动加1个地址，跳转到下一个地址位
（1）读R15
当使用STM或STR指令保存R15时，R15保存的是当前指令地址+偏移量
测试芯片具体存储PC时的偏移量程序：

SUB  R1，PC,#4       ;R1存放下面STR指令的地址
STR  PC,[R0]        ;保存“STR指令地址+偏移量”到R0中
LDR  R0，[R0]       ;重装
SUB  R0，R0，R1      ;计算偏移量=PC-STR地址

（2）写R15
由于ARM是字对齐的，因此写的地址必须是有效的正确地址，即是bit0=0，bit1=0，bit[1:0]=0b00
Thumb半字对齐，bit0=0，写入地址时可先与0xFFFF FFFE相与再写入

CPSR和SPSR

用户和系统模式不是异常中断，没有SPSR，其他每种异常都有各自相应的SPSR，它们的作用是异常产生时，保存当前CPSR的值。然后设置CPSR为相应的异常模式。异常中断程序退出返回时，可以通过保存在SPSR中的值来恢复CPSR
除用户模式，其他每种处理器模式都可以通过改写CPSR中的模式位改变

Thumb状态下寄存器

各种模式下实际访问的寄存器

一般通用寄存器

R8~R12thumb状态一般不会用，只有个别指令可以访问，如MOV，ADD,CMP

堆栈指针R13（SP）

Thumb指令集带有传统PUSH和POP指令用于堆栈操作处理。

链接寄存器R14（LR）

跟前面ARM的用法差不多

ARM状态寄存器和Thumb状态寄存器的关系

R0~R7是相同的
Thumb状态CPSR（没有SPSR）和ARM的CPSR一样，Thumb指令集不包含MSR和MRS，要修改CPSR任何标志位必须回到ARM状态，而且当完成复位时，或者进入到异常模式时，会被自动切换到ARM状态
所有异常在ARM状态下执行

当前程序状态寄存器

条件代码标志

N: 负标志，运算结果的第31位，记录标志设置操作结果
Z: 零标志
C: 进位标志
V: 一处标志

控制标志位

I: 中断禁止标志，I=1禁止
F: 快速中断禁止标志,F=1禁止
T: 处理器状态位，T=1，Thumb；T=0，ARM
M0~M4：处理器模式位，特定的几种模式位有定义处理器模式

ARM体系的异常、中断及向量表

~~~~老胡说这里很重要！！！
可是我好困了，这个留着明天再总结好了~