【嵌入式系统】第二章 ARM体系结构

1 ARM微处理器概述

1.1 ARM（Advanced RISC Machines）

特点：

• 体积小，功耗低，成本低，高性能
• 支持Thumb（16 bit）和ARM（32 bit）双指令集
• 使用寄存器，大多数数据操作都在寄存器中完成，指令执行速度快
• 寻址方式灵活简单，执行效率高
• 指令长度固定

处理器系列

• 基于指令集体系结构版本分类：v1,v2,v5,v6,v7,v8等
• 基于处理器系列分类：ARM7，ARM9，ARM10，ARM11，StrongARM，XScale

PPT有个指令集版本对应处理器系列的图，以及各指令集版本特点。我估计不考（考了也太丧心病狂了）
但有几点：

• v4引入Thumb指令集

PPT上有对于处理器核的介绍，我觉得更多的像是产品介绍，有需要再去看吧

1.2 ARM的流水线模式

PC指向正被取指的指令，而非正在执行的指令

ARM7采用三级流水线的冯诺依曼结构

取指令(Fetch) -----> 译码(Decode) -----> 执行(Execute)

---

ARM9采用五级流水线的哈佛结构

取指令(Fetch) -----> 译码(Decode) -----> 执行(Execute) -----> 访存(Memory) -----> 写入(Write)

ARM9的五级流水线将存储器的访问和寄存器的写操作分别单独处理，

解决了三级流水线的LDR/STR指令执行的延迟，提升效率

如果ARM9指令不是对存储器的访问，本级流水线为空时钟周期

1.3 RISC体系结构

CISC缺点：随着指令集不断引入新的指令，计算机体系结构会越来越复杂。在各种指令中使用频率差距比较大 。
特点：

• 指令小于100条
• 指令长度一致，单拍完成便于流水操作
• 寄存器数量多，不少于32个。数据处理的指令只对寄存器的内容操作，只有LDM/STM访问存储器

CISC对比RISC

类别	CISC	RISC
指令系统	数量多	数量少，通常少于100
执行时间	有些指令执行时间长，如整块存储器内容拷贝	没有较长执行时间的指令
编码长度	编码长度不定，1-15 Byte	编码长度固定，通常为4 Byte
寻址方式	寻址方式多样	简单寻址
操作	可对寄存器，存储器进行算数逻辑操作	只能对寄存器进行算术操作和逻辑操作，只有Load/Store操作存储器
编译	难以用优化编译器生成高效目标代码程序	采用优化编译技术，生成高效的目标代码程序

1.4 寄存器

ARM处理器有37个物理寄存器：31个通用寄存器和6个状态寄存器。寄存器被安排成部分重叠的组，每种处理器模式有不同的寄存器组，以便得到快速的上下文切换

1.5 ARM指令集概述

ARM指令集可分为5大类：

1. 数据处理指令：MOV，AND，SUB，ADD
2. 加载和存储指令：LDR，STR，LDM，STM
3. 分支指令：B，BX
4. 协处理器指令：LDC，STC
5. 杂项指令：SWI，MRS，MSR
   • MRS：读状态寄存器指令，将状态寄存器值保存在通用寄存器上
   • MSR：写状态寄存器指令，将通用寄存器值写回状态寄存器

1.6 Thumb指令集概述

16 bit Thumb指令集，是ARM指令集的子集

可分为四大类指令

1. 分支指令
2. 数据处理指令
3. 寄存器加载和存储指令
4. 异常产生指令

2 ARM微处理器体系结构

2.1 数据类型

• 字节Byte：长度均为8 bit
• 字Word：在ARM体系结构中为32 bit，在8 bit /16 bit 处理器体系结构中，字的长度为16 bit
• 半字Half-Word：在ARM体系结构中为16 bit，在8 bit /16 bit 处理器体系结构中，字的长度也为16 bit

2.2 ARM微处理器工作状态

分为ARM状态和Thumb状态，当操作数寄存器状态位（位[0]）为1进去Thumb状态，状态位为0时进入ARM状态。

;从ARM状态切换到Thumb状态
LDR		R0,  =Lable+1
BX		R0
;从Thumb状态切换到ARM状态
LDR		R0,  =Lable
BX		R0

2.3 ARM体系结构的存储器格式

• 大端存储：高字节存储在低地址，类似字符串读取数字读一个存一个
• 小端存储：高字节存储在高地址，
  ARM默认采用小端格式

2.4 处理器模式

ARM体系结构支持7种处理器模式：

处理器模式	说明	备注
用户usr	正常程序工作模式	不能直接切换到其他模式
系统sys	用于支持操作系统的特权任务	与用户模式使用完全相同的寄存器组，但可以直接切换到其他模式
快中断fiq	支持高速数据传输及通道处理	FIQ异常响应时进入此模式
中断irq	用于通用中断处理	IRQ异常响应时进入此模式
管理svc	操作系统保护代码	系统复位和软件中断响应时进入此模式
中止abt	用于支持虚拟内存和存储器保护	预取中止和数据中止
未定义und	支持硬件协处理器的软件仿真	未定义指令异常响应时进入此模式

特权模式：除了用户模式其他都属于特权模式，可以自由切换处理器模式，ARM内部寄存器和一些片内外设只允许特权模式访问。
异常模式：特权模式中除了系统模式都是异常模式，通过程序切换或由特定异常进入

启动时模式转换

1. 管理模式
2. 多种特权模式变化：完成各模式的堆栈设置，初始化每种模式的R13指向该运行模式的栈空间
3. 用户模式：用户程序的运行模式

2.5 寄存器组织

R0~R13：通用寄存器，可用于任何使用通用寄存器的指令
R0~R7：未分组寄存器，对于任意处理器模式，对应相同的32位物理寄存器
R8~R14：分组寄存器，对应的物理寄存器取决于当前的处理器模式

R13堆栈指针

SP，指向各状态模式的专用堆栈，ARM中没有特殊方式使用，但Thumb有

R14寄存器与子程序调用

R14是链接寄存器，一个功能是在每种模式下，保存子程序的返回地址，另一个功能是当发生异常的时候，该模式下的R14设置成异常模式将要返回的地址

下面是子程序调用的过程：

1. 程序A调用程序B
2. 程序跳转至Lable，执行B，同时硬件将BL Lable指令的下一条指令地址存入R14
3. 程序B执行完毕，将R14的值存入PC，实现子程序返回
   异常发生时，程序跳转至异常服务程序，对返回地址的处理与子程序调用类似，都是由硬件完成，区别在于有些异常由一个小常量的偏移。

R15寄存器

R15寄存器是程序计数器PC，指向正在取指的地址

使用STR或STM指令保存R15时，将会在当前指令加上8字节或12字节的偏移，对于不同芯片有不同的偏移量

计算偏移汇编程序：

Thumb状态下寄存器

可以直接访问的寄存器有：

• R0~R7
• R13~R15
• CPSR

发生异常时，处理器自动进入ARM状态

程序状态寄存器CPSR

N、Z、C、V，最高4位称为条件码标志。ARM的大多数指令可以条件执行的，即通过检测这些条件码标志来决定程序指令如何执行。

各个条件码的含义如下：

• N：在结果是有符号的二进制补码情况下，如果结果为负数，则N=1；如果结果为非负数，则N=0。

• Z：如果结果为0，则Z=1;如果结果为非零，则Z=0。

• C：其设置分一下几种情况：

  • 对于加法指令（包含比较指令CMN），如果产生进位，则C=1;否则C=0。
  • 对于减法指令（包括比较指令CMP），如果产生借位，则C=0;否则C=1。
  • 对于有移位操作的非法指令，C为移位操作中最后移出位的值。
  • 对于其他指令，C通常不变。

• V：对于加减法指令，在操作数和结果是有符号的整数时，如果发生溢出，则V=1;如果无溢出发生，则V=0;对于其他指令，V通常不发生变化。

SPSR：备份程序状态字，保存异常事件发生之前的CPSR

CPSR/SPSR的读写指令

MRS：读状态寄存器到通用寄存器MRS R1, CPSR
MSR：写通用寄存器到状态寄存器MSR CPSR, R1

2.6 异常

正常的程序流被暂时中止，处理器就进入异常模式

异常优先级

未完待续