嵌入式01ARM微处理器概述和编程模型

第二章 基于ARM9处理器的硬件开发平台n2.1 ARM微处理器概述n2.2 ARM微处理器的编程模型n2.3 ARM微处理器的指令系统n2.4 ARM程序设计基础n2.5 S3C2410体系结构与外设n2.6 ADS调试软件2.1 ARM微处理器概述n2.1.1 ARM简介n2.1.2 ARM微处理器的应用领域n2.1.3 ARM微处理器的特点n2.1.4 ARM微处理器系列n2.1.5 ARM微处理器的结构n2.1.6 ARM微处理器的应用选型 ARM（Advanced RISC Machines），既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。1991年ARM公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。基于ARM技术的微处理器应用约占据了32位RISC微处理器75以上的市场份额，ARM技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。2.1.1 ARMAdvanced RISC Machines 世界各大半导体生产商从ARM公司购买其设计的ARM微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的ARM微处理器芯片进入市场。2.1.1 ARMAdvanced RISC Machines2.1.2 ARM 微处理器的应用领域n工业控制n无线通讯n网络应用n消费类电子产品n成像和安全产品2.1.3 ARM 微处理器的特点n体积小、低功耗、低成本、高性能n支持Thumb/ARM双指令集n大量使用寄存器，指令执行速度快n寻址方式灵活简单，执行效率高n指令长度固定2.1.4 ARM微处理器系列nARM7系列nARM9系列nARM9E系列nARM10E系列nARM11系列nSecurcore系列nIntel的StrongARM/XscaleARM7 微处理器系列 具有嵌入式ICE逻辑，调试开发方便 极低的功耗，适合便携式产品 能够提供的三级流水线结构 代码密度高并兼容16位的Thumb指令集 对操作系统的支持广泛，包括Windows CE、Linux、Palm OS等 指令系统与ARM9、ARM9E和ARM10E兼容 主频最高可达130MIPSARM7 微处理器系列 主要应用领域 工业控制、Internet设备、网络和调制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用微处理器核类型 ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ ARM7 微处理器系列 ARM7TMDI是目前使用最广泛的32位嵌入式RISC处理器，属低端ARM处理器核。TDMI的基本含义为：T 支持16为压缩指令集Thumb；D 支持片上Debug；M 内嵌硬件乘法器（Multiplier）；I 嵌入式ICE，支持片上断点和调试点ARM9 微处理器系列 5级整数流水线，指令执行效率更高。提供的哈佛结构。支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。支持32位的高速AMBA总线接口。全性能的MMU，支持Windows CE、Linux、Palm OS等多种主流嵌入式操作系统。MPU支持实时操作系统。支持数据Cache和指令Cache，具有更高的指令和数据处理能力。ARM9 微处理器系列主要应用领域 无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数码相机和数码摄像机等微处理器核类型 ARM920T、ARM922T和ARM940T2.1.5 ARM 微处理器的结构CISC（Complex Instruction Set Computer）复杂指令集计算机 随着计算机技术的发展而不断引入新的复杂的指令集，计算机的体系结构会越来越复杂。大约有20的指令会被反复使用，占整个程序代码的80，而余下的80的指令却不经常使用，在程序设计中只占20。2.1.5 ARM 微处理器的结构RISC（Reduced Instruction Set Computer）精简指令集计算机 采用固定长度的指令格式 使用单周期指令 大量使用寄存器 可用加载/存储指令批量传输数据 在循环处理中使用地址的自动增减 2.1.6 ARM 微处理器的应用选型n ARM微处理器内核n 系统的工作频率n 芯片内存储器的容量n 片内外围电路的选择2.2 ARM微处理器的编程模型n2.2.1 ARM微处理器的工作状态n2.2.2 ARM微处理器的存储器格式n2.2.3 指令长度及数据类型n2.2.4 处理器模式n2.2.5 寄存器组织n2.2.6 异常2.2 ARM微处理器的编程模型字（Word）在ARM体系结构中，字的长度为32位。半字（Half-Word）在ARM体系结构中，半字的长度为16位。字节（Byte）在ARM体系结构中，字节的长度为8位。2.2.1 ARM微处理器的工作状态ARM状态 处理器执行32位的字对齐的ARM指令Thumb状态 处理器执行16位的、半字对齐的Thumb指令进入Thumb状态q 执行BX指令，使操作数寄存器的状态位为1q 当处理器处于Thumb状态时发生异常，则异常处理返回时，自动切换到Thumb状态。进入ARM状态q 执行BX指令，使操作数寄存器的状态位为0q 在处理器进行异常处理时，把PC放入异常模式链接寄存器中，并从异常向量地址开始执行程序2.2.2 ARM微处理器的存储器格式q ARM体系结构所支持的最大寻址空间为4GB（232字节）q ARM体系结构将存储器看作是从零地址开始的字节的线性组合。从零字节到三字节放置第一个存储的字数据，从第四个字节到第七个字节放置第二个存储的字数据，依次排列。q ARM体系结构可以用两种方法存储字数据，称之为大端格式和小端格式 大端格式字数据的高字节存储在低地址，低字节存放在高地址小端格式字数据的高字节存储在高地址，低字节存放在低地址q ARM微处理器的指令长度可以是32位（在ARM状态下），也可以为16位（在Thumb状态下）。q ARM微处理器中支持字节（8位）、半字（16位）、字（32位）三种数据类型，其中，字需要4字节对齐（地址的低两位为0）、半字需要2字节对齐（地址的最低位为0）2.2.3 指令长度及数据类型 q 用户模式（usr）：ARM处理器正常的程序执行状态q 快速中断模式（fiq）：用于高速数据传输或通道处理q 外部中断模式（irq）：用于通用的中断处理q 管理模式（svc）：操作系统使用的保护模式q 终止模式（abt）：当数据或指令预取终止时进入q 系统模式（sys）：运行具有特权的操作系统任务q 未定义模式（und）：当未定义指令执行时进入2.2.4 处理器模式2.2.5 寄存器组织 ARM微处理器共有37个32位寄存器，其中31个为通用寄存器，6个为状态寄存器。微处理器的状态及模式决定具体哪些寄存器可以编程访问。未分组寄存器R0R7 在所有的运行模式下，未分组寄存器都指向同一个物理寄存器，在中断或异常处理进行模式转换时，可能会造成寄存器中数据的破坏。分组寄存器R8R12q R8R12：每个寄存器对应两个不同的物理寄存器 当使用fiq模式时，访问寄存器R8_fiqR12_fiq；当使用除fiq模式以外的其他模式时，访问寄存器 R8_usrR12_usr。分组寄存器R13R14q R13、R14：每个寄存器对应6个不同的物理寄存器 1个是用户模式与系统模式共用 其它5个对应于其他5种模式q 采用以下的记号来区分不同的物理寄存器：R13_ R14_q mode为以下几种之一：usr、fiq、irq、svc、abt、und。堆栈指针 R13q R13在ARM指令中常用作堆栈指针，但这只是一种习惯用法，用户也可使用其他的寄存器作为堆栈指针。q 在Thumb指令集中，某些指令强制性的要求使用R13作为堆栈指针。q 由于处理器的每种运行模式均有自己独立的物理寄存器R13，在初始化部分，都要初始化每种模式下的R13，这样，当程序的运行进入异常模式时，可以将需要保护的寄存器放入R13所指向的堆栈，而当程序从异常模式返回时，则从对应的堆栈中恢复。子程序链接寄存器 R14q 当执行BL子程序调用指令时，R14得到R15（PC）的备份。其他情况下，R14用作通用寄存器。q 当异常或中断发生时，相应的分组寄存器R14用于保存PC的返回值。BL SUB1 /*将R14存入堆栈*/SUB1:STMFD SP!,LR /*完成子程序返回*/LDMFD SP!,PC子程序链接寄存器 R14程序计数器 R15（PC）q ARM状态下，位1:0为0，位31:2用于保存PC；q Thumb状态下，位0为0，位31:1用于保存PC；程序状态寄存器（CPSR/SPSR）R16用作CPSR(当前程序状态寄存器)，包含条件标志位、中断禁止位、当前处理器模式标志位。每一种运行模式下有1个专用的SPSR（备份程序状态寄存器），异常发生时，SPSR用于保存CPSR的值，从异常退出时由SPSR来恢复CPSR。Thumb状态下的寄存器组织 q 直接访问8个通用寄存器（R7R0）、程序计数器（PC）堆栈指针（SP）、连接寄存器（LR）和CPSR。q 每种特权模式下都有1组SP、LR和SPSR。ARM与THUMB状态寄存器关系 R0R7独立 CPSR和SPSR独立 SP、LR和PC相同程序状态寄存器 ARM体系结构包含1个当前程序状态寄存器（CPSR）和5个备份程序状态寄存器（SPSR）。保存ALU当前操作的信息 控制中断的允许和禁止 设置处理器的运行模式程序状态寄存器程序状态寄存器的条件码标志 N、Z、C、V均为条件码标志位，可被算术或逻辑运算改变，并可用于测试来决定某条指令是否执行。q 在ARM状态下，所有指令都是有条件执行的。q 在Thumb状态下，分支指令是有条件执行的。影响标志位的指令标志位含 义N当用两个补码表示的带符号数进行运算时，N=1 表示运算的结果为负数;N=0 表示运算的结果为正数或零;ZZ=1 表示运算的结果为零;Z=0表示运算的结果为非零;C 加法运算（包括比较指令CMN）：当运算结果产生了进位时（无符号数溢出），C=1，否则C=0。减法运算（包括比较指令CMP）：当运算时产生了借位（无符号数溢出），C=0，否则C=1。对于包含移位操作的指令，C为移出值的最后1位。V 对于加/减法运算指令，当操作数和运算结果为二进制的补码表示的带符号数时，V=1表示符号位溢出。对于其他的非加/减运算指令，V的值通常不改变。Q 在ARM v5及以上版本的E系列处理器中，用Q标志位指示增强的DSP运算指令是否发生了溢出。程序状态寄存器的控制位 状态寄存器的低8位（I、F、T和M4：0）称为控制位，发生异常时这些位可以被改变。如果处理器运行特权模式，这些位也可以由程序修改。q 中断禁止位I、F：I=1 禁止IRQ中断;F=1 禁止FIQ中断。程序状态寄存器的控制位 q T标志位：该位反映处理器的运行状态 ARM体系结构v5及以上的版本的T系列处理器，当该位为1时，程序运行于Thumb状态，否则运行于ARM状态。ARM体系结构v5及以上的版本的非T系列处理器，当该位为1时，执行下一条指令以引起未定义的指令异常；当该位为0时，表示运行于ARM状态。q 运行模式位M4：0：模式位，决定处理器的运行模式 处理器运行模式及可以访问的寄存器M4：0处理器模式ARM状态可访问的寄存器10000用户模式PC，CPSR,R0-R1410001FIQ模式PC，CPSR,SPSR_fiq，R14_fiq-R8_fiq,R7R010010IRQ模式PC，CPSR,SPSR_irq，R14_irq,R13_irq,R12R010011管理模式PC，CPSR,SPSR_svc，R14_svc,R13_svc,R12R0,10111终止模式PC，CPSR,SPSR_abt，R14_abt,R13_abt,R12R0,11011未定义模式PC，CPSR,SPSR_und，R14_und,R13_und,R12R0,11111系统模式PC，CPSR（ARM v4及以上版本）,R14R0 当正常的程序执行流程发生暂时的停止时，称之为异常。在处理异常之前，当前处理器的状态必须保留，以便当异常处理完成后，原来的程序可以恢复。当多个异常同时发生时，按照固定的优先级进行处理。2.2.6 异常（Exceptions）ARM体系结构支持的异常类型 异常类型具体含义复位复位电平有效时，产生复位异常，程序跳转到复位处理程序处执行。未定义指令遇到不能处理的指令时，产生未定义指令异常。软件中断执行SWI指令产生，用于用户模式下的程序调用特权操作指令。指令预取终止处理器预取指令的地址不存在，或该地址不允许当前指令访问，产生指令预取中止异常。数据终止处理器数据访问指令的地址不存在，或该地址不允许当前指令访问时，产生数据中止异常。IRQ外部中断请求有效，且CPSR中的I位为0时，产生IRQ异常。FIQ快速中断请求引脚有效，且CPSR中的F位为0时，产生FIQ异常。进入异常处理 将下一条指令的地址保存到相应链接寄存器LR 将CPSR复制到相应的SPSR 根据异常类型，强制设置CPSR的运行模式位 强制PC从相关的异常向量地址取下一条指令执行R14_=Return LinkSPSR_=CPSRCPSR4:0=Exception Mode NumberCPSR5=0If =Reset or FIQ thenCPSR6=1CPSR7=1PC=Exception Vector Address异常响应伪代码 处理器处于Thumb状态，则当异常向量地址加载入PC时，处理器自动切换到ARM状态。在ARM状态下执行禁止快速中断禁止正常中断转入异常入口地址从异常处理返回 将连接寄存器LR的值减去相应的偏移量后送到PC 将SPSR复制回CPSR 若在进入异常处理时设置了中断禁止位，要在此清除FIQ（Fast Interrupt Request）FIQ异常是为了支持数据传输或者通道处理而设计的。q 若将CPSR的F位置为1，则会禁止FIQ中断，若将CPSR的F位清零，处理器会在指令执行时检查FIQ的输入。注意只有在特权模式下才能改变F位的状态。q 可由外部通过对处理器上的nFIQ引脚输入低电平产生FIQ。不管是在ARM状态还是在Thumb状态下进入FIQ模式，FIQ处理程序均可以执行以下指令从FIQ模式返回：SUBS PC,R14_fiq,#4IRQ（Interrupt Request）IRQ异常属于正常的中断请求，可通过对处理器的nIRQ引脚输入低电平产生，IRQ的优先级低于FIQ，当程序执行进入FIQ异常时，IRQ可能被屏蔽。q 若将CPSR的I位置为1，则会禁止IRQ中断，若将CPSR的I位清零，处理器会在指令执行完之前检查IRQ的输入。注意只有在特权模式下才能改变I位的状态。q 不管是在ARM状态还是在Thumb状态下进入IRQ模式，IRQ处理程序均可以执行以下指令从IRQ模式返回：SUBS PC,R14_irq,#4ABORT（终止）产生终止异常意味着对存储器的访问失败。ARM微处理器在存储器访问周期内检查是否发生终止异常。q 终止异常包括两种类型：指令预取终止 数据终止q 当指令预取访问存储器失败时，存储器系统向ARM处理器发出存储器终止（Abort）信号，预取的指令被记为无效，但只有当处理器试图执行无效指令时，指令预取终止异常才会发生。ABORT（终止）q 若数据终止发生，系统的响应与指令的类型有关。q 当确定了终止的原因后，Abort处理程序均可以执行以下指令从终止模式返回。SUBS PC,R14_abt,#4；指令预取终止SUBS PC,R14_abt,#8；数据终止Software Interrupt（软件中断）软件中断指令（SWI）用于进入管理模式，常用于请求执行特定的管理功能。软件中断处理程序执行以下指令可以从SWI模式返回，无论是在ARM状态还是Thumb状态：MOVS PC,R14_svc Undefined Instruction（未定义指令）q 当ARM处理器遇到不能处理的指令时，会产生未定义指令异常。采用这种机制，可以通过软件仿真扩展ARM或Thumb指令集。q 处理器执行以下程序返回 MOVS PC,R14_und异常向量（Exception Vectors）地 址异 常进入模式0 x0000,0000复位管理模式0 x0000,0004未定义指令未定义模式0 x0000,0008软件中断管理模式0 x0000,000C中止（预取指令）中止模式0 x0000,0010中止（数据）中止模式0 x0000,0014保留保留0 x0000,0018IRQIRQ0 x0000,001CFIQFIQ异常优先级（Exception Priorities）优先级异 常1（最高）复位2数据中止3FIQ4IRQ5预取指令中止6（最低）未定义指令、SWI应用程序中的异常处理 为保证在ARM处理器发生异常时不会处于未知状态，在应用程序的设计中，首先要进行异常处理，采用的方式是在异常向量表中的特定位置放置一条跳转指令，跳转到异常处理程序。我们需要处理所有的异常，尽管我们可以简单地在某些异常处理程序处放置死循环。