ARM体系结构及编程模型

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,*,嵌入式系统教案,武汉创维特信息技术有限公司,2024/11/26,2,提纲,1,3,2,4,5,ARM,技术的应用领域及特点,ARM,处理器的寄存器组织,ARM,处理器的工作模式,ARM,微处理器系列,6,7,第二章,ARM,体系结构及编程模型,ARM,异常处理,ARM,处理器的工作状态,ARM,处理器的存储器格式,3,ARM,Advanced RISC Machines,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。,ARM,技术的应用领域及特点,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。,4,ARM,公司的,Chip less,模式,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。,ARM,技术的应用领域及特点,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。,我国的,中兴集成电路、,大唐电讯、中芯国际和上海华虹，以及国外的一些公司如德州仪器、意法半导体、,Philips,、,Intel,、,Samsung,等都推出了自己设计的基于,ARM,核的处理器。,5,ARM,微处理器的应用领域,工业控制领域：作为,32,的,RISC,架构，基于,ARM,核的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展，,ARM,微控制器的低功耗、高性价比，向传统的,8,位,/16,位微控制器提出了挑战。,ARM,技术的应用领域及特点,到目前为止，,ARM,微处理器及技术的应用已经广泛深入到国民经济的各个领域,6,ARM,微处理器的应用领域,ARM,技术的应用领域及特点,网络应用：随着宽带技术的推广，采用,ARM,技术的,ADSL,芯片正逐步获得竞争优势。此外，,ARM,在语音及视频处理上行了优化，并获得广泛支持，也对,DSP,的应用领域提出了挑战。,消费类电子产品：,ARM,技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用。,成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用,ARM,技术。手机中的,32,位,SIM,智能卡也采用了,ARM,技术。,7,ARM,微处理器的特点,低功耗、低成本、高性能,采用,RISC,指令集,ARM,技术的应用领域及特点,低功耗、低成本、高性能,使用大量的寄存器,ARM/THUMB,指令支持,三,/,五级流水线,8,ARM,微处理器的特点,采用,RISC,体系结构,ARM,技术的应用领域及特点,采用,RISC,架构的,ARM,处理器一般具有如下特点：,固定长度的指令格式，指令归整、简单、基 本寻址方式有,2,3,种；,使用单周期指令，便于流水线操作执行；,大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作，只有加载,/,存储指令可以访问存储器，以提高指令的执行效率。,9,ARM,微处理器的特点,大量使用寄存器,ARM,技术的应用领域及特点,ARM,处理器共有,37,个寄存器，被分为若干个组，这些寄存器包括：,31,个通用寄存器，包括程序计数器（,PC,指针），均为,32,位的寄存器；,6,个状态寄存器，用以标识,CPU,的工作状态及程序的运行状态，均为,32,位。,10,ARM,微处理器的特点,高效的指令系统,ARM,技术的应用领域及特点,ARM,微处理器支持两种指令集：,ARM,指令集和,Thumb,指令集。,ARM,指令为,32,位的长度，,Thumb,指令为,16,位长度。,Thumb,指令集为,ARM,指令集的功能子集，但与等价的,ARM,代码相比较，可节省,30,40,以上的存储空间，同时具备,32,位代码的所有优点。,11,ARM,微处理器的特点,其他技术,ARM,技术的应用领域及特点,除此以外，,ARM,体系结构还采用了一些特别的技术，在保证高性能的前提下尽量缩小芯片的面积，并降低功耗：,所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行，从而提高指令的执行效率。,可用加载,/,存储指令批量传输数据，以提高数据的传输效率。,可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理。,在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率。,12,ARM,微处理器系列,ARM,微处理器系列,ARM7,系列,ARM9,系列,ARM9E,系列,ARM10E,系列,SecurCore,系列,Intel,的,Xscale,其中，,ARM7,、,ARM9,、,ARM9E,和,ARM10,为,4,个通用处理器系列，每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。,SecurCore,系列专门为安全要求较高的应用而设计。,13,ARM7,微处理器系列,ARM7,系列是为低功耗的,32,位,RISC,处理器，最适合用于对价位和功耗要求较高的消费类应用。,ARM7,系列有如下特点：,具有嵌入式,ICE,RT,逻辑，调试开发方便；,极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式产品；,能够提供,0.9MIPS/MHz,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，如,Windows CE,、,Linux,、,Palm OS,等；,指令系统与,ARM9,系列、,ARM9E,系列和,ARM10E,系列兼容，便于用户的产品升级换代；,主频最高可达,130M,，高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂应用。,ARM,微处理器系列,14,ARM7,微处理器系列,ARM,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。,ARM7,系列微处理器包括如下几种类型的核：,ARM7TDMI,、,ARM7TDMI-S,、,ARM720T,、,ARM7EJ,。其中，,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；,15,ARM9,微处理器系列,ARM,微处理器系列,ARM9,系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的表现。具有以下特点：,5,级整数流水线，指令执行效率更高。,提供,1.1MIPS/MHz,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。,16,ARM9,微处理器系列,ARM9,系列微处理器主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。,ARM,微处理器系列,ARM9,系列微处理器包含,ARM920T,、,ARM922T,和,ARM940T,三种类型，以适用于不同的应用场合。,17,ARM9E,微处理器系列,ARM,微处理器系列,ARM9E,系列微处理器的主要特点如下：,支持,DSP,指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合。,5,级整数流水线，指令执行效率更高。,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。,支持,VFP9,浮点处理协处理器。,全性能的,MMU,，支持众多主流嵌入式操作系统。,支持数据,Cache,和指令,Cache,，具有更高的处理能力。,主频最高可达,300M,。,18,ARM9E,微处理器系列,ARM9E,系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、存储设备和网络设备等领域。,ARM,微处理器系列,ARM9E,系列微处理器包含,ARM926EJ-S,、,ARM946E-S,和,ARM966E-S,三种类型，以适用于不同的应用场合。,19,ARM10E,微处理器系列,ARM,微处理器系列,ARM10E,系列微处理器的主要特点如下：,支持,DSP,指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合。,6,级整数流水线，指令执行效率更高。,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。,支持,VFP10,浮点处理协处理器。,全性能的,MMU,，支持众多主流嵌入式操作系统。,支持数据,Cache,和指令,Cache,，具有更高的处理能力,主频最高可达,400M,。,内嵌并行读,/,写操作部件。,20,ARM10E,微处理器系列,ARM10E,系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、通信和信息系统等领域。,ARM,微处理器系列,ARM10E,系列微处理器包含,ARM1020E,、,ARM1022E,和,ARM1026EJ-S,三种类型，以适用于不同的应用场合。,21,SecurCore,微处理器系列,ARM,微处理器系列,SecurCore,系列微处理器除了具有,ARM,体系结构各种主要特点外，还在系统安全方面具有如下的特点：,带有灵活的保护单元，确保操作系统和应用数据的安全。,采用软内核技术，防止外部对其进行扫描探测。,可集成用户自己的安全特性和其他协处理器。,22,SecurCore,微处理器系列,SecurCore,系列微处理器主要应用于一些对安全性要求较高的应用产品及应用系统，如电子商务、电子政务、电子银行业务、网络和认证系统等领域。,ARM,微处理器系列,SecurCore,系列微处理器包含,SecurCore SC100,、,SecurCore SC110,、,SecurCore SC200,和,SecurCore SC210,四种类型，以适用于不同的应用场合。,23,StrongARM,微处理器系列,ARM,微处理器系列,Intel StrongARM,处理器是便携式通讯产品和消费类电子产品的理想选择，已成功应用于多家公司的掌上电脑系列产品。,Intel StrongARM SA-1100,处理器是采用,ARM,体系结构高度集成的,32,位,RISC,微处理器。它融合了,Intel,公司的设计和处理技术以及,ARM,体系结构的电源效率，采用在软件上兼容,ARMv4,体系结构、同时采用具有,Intel,技术优点的体系结构。,24,Xscale,处理器,ARM,微处理器系列,Xscale,处理器是基于,ARMv5TE,体系结构的解决方案，是一款全性能、高性价比、低功耗的处理器。它支持,16,位的,Thumb,指令和,DSP,指令集，已使用在数字移动电话、个人数字助理和网络产品等场合。,Xscale,处理器是,Intel,目前主要推广的一款,ARM,微处理器。,25,ARM,微处理器的工作状态,ARM,微处理器的工作状态,从编程的角度看，,ARM,微处理器的工作状态一般有两种，并可在两种状态之间切换：,ARM,状态，此时处理器执行,32,位的字对齐的,ARM,指令；,Thumb,状态，此时处理器执行,16,位的、半字对齐的,Thumb,指令。,26,ARM,与,THUMB,THUMB,指令是,ARM,指令的子集,ARM,微处理器的工作状态,可以相互调用，只要遵循一定的调用规则,Thumb,指令与,ARM,指令的时间效率和空间效率关系为,:,存储空间约为,ARM,代码的,60,70,指令数比,ARM,代码多约,30,40,存储器为,32,位时,ARM,代码比,Thumb,代码快约,40,存储器为,16,位时,Thumb,比,ARM,代码快约,40,50,使用,Thumb,代码，存储器的功耗会降低约,30,27,状态切换方法,ARM,指令集和,Thumb,指令集均有切换处理器状态的指令，并可在两种工作状态之间切换，,ARM,微处理器的工作状态,在开始执行代码时，应该处于,ARM,状态。,28,进入,Thumb,状态,当操作数寄存器的状态位（位,0,）为,1,时，可以采用执行,BX,指令的方法，使微处理器从,ARM,状态切换到,Thumb,状态。,当处理器处于,Thumb,状态时发生异常（如,IRQ,、,FIQ,、,Undef,、,Abort,、,SWI,等），则异常处理返回时，自动切换到,Thumb,状态。,ARM,微处理器的工作状态,29,切换到,ARM,状态,当操作数寄存器的状态位为,0,时，执行,BX,指令时可以使微处理器从,Thumb,状态切换到,ARM,状态。,ARM,微处理器的工作状态,在处理器进行异常处理时，把,PC,指针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，也可以使处理器切换到,ARM,状态。,30,处理器模式,ARM,微处理器的工作模式,usr,：,ARM,处理器正常的程序执行状态,fiq,：用于高速数据传输或通道处理,irq,：用于通用的中断处理,svc,：操作系统使用的保护模式,abt,：用于虚拟存储及存储保护,sys,：运行具有特权的操作系统任务,und,：当出现未定义指令终止时进入该模式,31,用户模式和特权模式,ARM,微处理器的工作模式,除了用户模式之外的其他,6,种处理器模式称为特权模式,特权模式下，程序可以访问所有的系统资源，也可以任意地进行处理器模式的切换。,特权模式中，除系统模式外，其他,5,种模式又称为异常模式,大多数的用户程序运行在用户模式下，此时，应用程序不能够访问一些受操作系统保护的系统资源，应用程序也不能直接进行处理器模式的切换。,用户模式下，当需要进行处理器模式切换时，应用程序可以产生异常处理，在异常处理中进行处理器模式的切换。,32,模式切换,ARM,微处理器的工作模式,处理器模式可以通过软件进行切换，也可以通过外部中断或者异常处理过程进行切换。,当应用程序发生异常中断时，处理器进入相应的异常模式。在每一种异常模式下都有一组寄存器，供相应的异常处理程序使用，这样就可以保证在进入异常模式时，用户模式下的寄存器不被破坏。,系统模式并不是通过异常进入的，它和用户模式具有完全一样的寄存器。但是系统模式属于特权模式，可以访问所有的系统资源，也可以直接进行处理器模式切换。它主要供操作系统任务使用。通常操作系统的任务需要访问所有的系统资源，同时该任务仍然使用用户模式的寄存器组，而不是使用异常模式下相应的寄存器组，这样可以保证当异常中断发生时任务状态不被破坏。,33,ARM,微处理器的存储器格式,ARM,体系结构所支持的最大寻址空间为,4GB,（,2,32,字节）,ARM,微处理器的存储器格式,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。,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,34,ARM,体系结构的存储器格式,大端格式,ARM,微处理器的存储器格式,在这种格式中，字数据的高字节存储在低地址中，而字数据的低字节则存放在高地址中,35,ARM,体系结构的存储器格式,小端格式,ARM,微处理器的存储器格式,与大端存储格式相反，在小端存储格式中，低地址中存放的是字数据的低字节，高地址存放的是字数据的高字节,36,指令长度及数据类型,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）。,ARM,微处理器的存储器格式,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,）,37,非对齐的存储访问操作,在,ARM,种，如果存储单元的地址没有遵守对齐规则，则称为非对齐的存储访问操作。,ARM,微处理器的存储器格式,非对齐的指令预取操作,非对齐的数据访问操作,38,非对齐的指令预取操作,当处理器处于,ARM,状态期间，如果写入到寄存器,PC,中的值是非字对齐的，要么指令执行的结果不可预知，要么地址值中最低两位被忽略。,ARM,微处理器的存储器格式,当处理器处于,THUMB,状态期间，如果写入到寄存器,PC,中的值是非半字对齐的，要么指令执行的结果不可预知，要么地址值中最低位被忽略。,39,非对齐的数据访问操作,对于,Load/Store,操作，如果是非对齐的数据访问操作，系统定义了三种可能的结果：,ARM,微处理器的存储器格式,执行的结果不可预知,忽略字单元地址的低两位的值，即访问地址为,(address AND 0XFFFFFFFC),的字单元；忽略半字单元地址的最低位的值，即访问地址为,(address AND 0XFFFFFFFE),的半字单元。,忽略字单元地址的低两位的值；忽略半字单元地址的最低位的值；由存储系统实现这种忽略。也就是说，这时该地址值原封不动地送到存储系统。,当发生非对齐地数据访问时，到底采用上述三种方法中的哪一种，是由各指令指定的。,40,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。但是这些寄存器不能被同时访问，具体哪些寄存器是可编程访问的，取决微处理器的工作状态及具体的运行模式。但在任何时候，通用寄存器,R14,R0,、程序计数器,PC,、一个或两个状态寄存器都是可访问的。,ARM,微处理器的寄存器格式,41,ARM,状态下的寄存器组织,通用寄存器：通用寄存器包括,R0,R15,，可以分为三类：,未分组寄存器,R0,R7,分组寄存器,R8,R14,程序计数器,PC(R15),ARM,微处理器的寄存器格式,42,ARM,状态下的寄存器组织,ARM,微处理器的寄存器格式,43,未分组寄存器,R0,R7,ARM,微处理器的寄存器格式,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，他们未被系统用作特殊的用途，因此，在中断或异常处理进行运行模式转换时，由于不同的处理器运行模式均使用相同的物理寄存器，可能会造成寄存器中数据的破坏，这一点在进行程序设计时应引起注意。,44,分组寄存器,R8,R12,ARM,微处理器的寄存器格式,每次所访问的物理寄存器与处理器当前的运行模式有关,R8,R12,：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_fiq,R12_fiq,；,当使用除,fiq,模式以外的其他模式时，访问寄存器,R8_usr,R12_usr,。,45,分组寄存器,R13,R14,ARM,微处理器的寄存器格式,R13,、,R14,：每个寄存器对应,6,个不同的物理寄存器,其中的一个是用户模式与系统模式共用，另外,5,个物理寄存器对应于其他,5,种不同的运行模式,采用以下的记号来区分不同的物理寄存器：,R13_,R14_,mode,为以下几种之一：,usr,、,fiq,、,irq,、,svc,、,abt,、,und,。,46,堆栈指针,R13,ARM,微处理器的寄存器格式,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。,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。,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。,47,子程序连接寄存器,R14,ARM,微处理器的寄存器格式,R14,也称作子程序连接寄存器或连接寄存器,LR,。当执行,BL,子程序调用指令时，可以从,R14,中得到,R15,（程序计数器,PC,）的备份。其他情况下，,R14,用作通用寄存器。,在每一种运行模式下，都可用,R14,保存子程序的返回地址，当用,BL,或,BLX,指令调用子程序时，将,PC,的当前值拷贝给,R14,，执行完子程序后，又将,R14,的值拷贝回,PC,，即可完成子程序的调用返回。,BLSUB1,SUB1:STMFDSP!, , LR /*,将,R14,存入堆栈*,/,LDMFDSP,！,PC/*,完成子程序返回 *,/,48,程序计数器,PC(R15),ARM,微处理器的寄存器格式,ARM,状态下，位,1:0,为,0,，位,31:2,用于保存,PC,；,Thumb,状态下，位,0,为,0,，位,31:1,用于保存,PC,；,R15,虽然也可用作通用寄存器，但一般不这么使用，因为对,R15,的使用有一些特殊的限制，当违反了这些限制时，程序的执行结果是未知的。,由于,ARM,体系结构采用了多级流水线技术，对于,ARM,指令集而言，,PC,总是指向当前指令的下两条指令的地址，即,PC,的值为当前指令的地址值加,8,个字节。,49,程序状态寄存器,(CPSR/SPSR),寄存器,R16,用作,CPSR(,当前程序状态寄存器,),，,CPSR,可在任何运,行模式下被访问，它包括条件标志位、中断禁止位、当前处理器模式标志位，以及其他一些相关的控制和状态位。,ARM,微处理器的寄存器格式,每一种运行模式下又都有一个专用的物理状态寄存器，称为,SPSR,（备份的程序状态寄存器），异常发生时，,SPSR,用于保存,CPSR,的值，从异常退出时则可由,SPSR,来恢复,CPSR,。,由于用户模式和系统模式不属于异常模式，他们没有,SPSR,，当在这两种模式下访问,SPSR,，结果是未知的。,50,Thumb,状态下的寄存器组织,Thumb,状态下的寄存器集是,ARM,状态下寄存器集的一个子集,ARM,微处理器的寄存器格式,程序可以直接访问,8,个通用寄存器（,R7,R0,）、程序计数器（,PC,）、堆栈指针（,SP,）、连接寄存器（,LR,）和,CPSR,。,同样，每一种特权模式下都有一组,SP,、,LR,和,SPSR,。,51,Thumb,状态下的寄存器组织图,ARM,微处理器的寄存器格式,52,Thumb,状态下的寄存器与,ARM,状态下的寄存器关系,ARM,微处理器的寄存器格式,Thumb,状态下和,ARM,状态下的,R0,R7,是相同的。,Thumb,状态下和,ARM,状态下的,CPSR,和所有的,SPSR,是相同的。,Thumb,状态下的,SP,对应于,ARM,状态下的,R13,。,Thumb,状态下的,LR,对应于,ARM,状态下的,R14,。,Thumb,状态下的程序计数器对应于,ARM,状态下,R15,。,53,Thumb,状态下的寄存器与,ARM,状态下的寄存器关系图,ARM,微处理器的寄存器格式,54,访问,THUMB,状态下的高位寄存器（,Hi-registers,）,在,Thumb,状态下，高位寄存器,R8,R15,并不是标准寄存器集的一部分，但可使用汇编语言程序受限制的访问这些寄存器，将其用作快速的暂存器。,ARM,微处理器的寄存器格式,使用带特殊变量的,MOV,指令，数据可以在低位寄存器和高位寄存器之间进行传送；高位寄存器的值可以使用,CMP,和,ADD,指令进行比较或加上低位寄存器中的值。,55,程序状态寄存器,ARM,微处理器的寄存器格式,ARM,体系结构包含一个当前程序状态寄存器（,CPSR,）和五个备份的程序状态寄存器（,SPSRs,）。备份的程序状态寄存器用来进行异常处理，其功能包括：,保存,ALU,中的当前操作信息,控制允许和禁止中断,设置处理器的运行模式,56,程序状态寄存器的每一位的安排,ARM,微处理器的寄存器格式,57,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。它们的内容可被算术或逻辑运算的结果所改变，并且可以决定某条指令是否被执行,ARM,微处理器的寄存器格式,在,ARM,状态下，绝大多数的指令都是有条件执行的。,在,Thumb,状态下，仅有分支指令是有条件执行的。,58,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；,Z,Z=1,表示运算的结果为零；,Z=0,表示运算的结果为非零；,C,加法运算结果进位时，,C=1,，减法运算借位时，,C=0,；,移位操作的非加,/,减运算指令，,C,为移出的最后一位；,其他的非加,/,减运算指令，,C,的值通常不改变。,V,加,/,减法运算指令，,V=1,表示符号位溢出。,对于其他的非加,/,减运算指令，,C,的值通常不改变。,Q,在,ARM v5,及以上版本的,E,系列处理器中，,Q,标志指示,DSP,运算指令是否溢出。在其他版本中，,Q,标志位无定义。,ARM,微处理器的寄存器格式,59,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。,ARM,微处理器的寄存器格式,中断禁止位,I,、,F,：,I=1,禁止,IRQ,中断,;,F=1,禁止,FIQ,中断。,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为定义的指令异常；当该位为,0,时，表示运行于,ARM,状态。,运行模式位,M4,：,0,是模式位，决定处理器的运行模式,60,处理器运行模式及可以访问的寄存器,M4,：,0,处理器模式,可访问的寄存器,0b10000,用户模式,PC,，,CPSR,R0-R14,0b10001,FIQ,模式,PC,，,CPSR, SPSR_fiq,，,R14_fiq-R8_fiq, R7,R0,0b10010,IRQ,模式,PC,，,CPSR, SPSR_irq,，,R14_irq, R13_irq, R12,R0,0b10011,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,未定义模式,PC,，,CPSR, SPSR_und,，,R14_und, R13_und, R12,R0,0b11111,系统模式,PC,，,CPSR,（,ARM v4,及以上版本）, R14,R0,ARM,微处理器的寄存器格式,61,异常（,Exceptions,）,当正常的程序执行流程发生暂时的停止时，称之为异常，例如处理一个外部的中断请求。在处理异常之前，当前处理器的状态必须保留，这样当异常处理完成之后，当前程序可以继续执行。处理器允许多个异常同时发生，它们将会按固定的优先级进行处理。,ARM,异常处理,ARM,体系结构中的异常，与,8,位,/16,位体系结构的中断有很大的相似之处，但异常与中断的概念并不完全等同。,62,ARM,体系结构所支持的异常类型,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。,指令预取中止,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。,数据中止,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。,ARM,异常处理,63,对异常的响应,ARM,异常处理,当一个异常出现以后，,ARM,微处理器会执行以下几步操作,将下一条指令的地址存入相应连接寄存器,LR,，以便程序在处理异常返回时能从正确的位置重新开始执行。,将,CPSR,复制到相应的,SPSR,中。,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，从而跳转到相应的异常处理程序处。,64,R14_ = Return Link,SPSR_ = CPSR,CPSR4:0 = Exception Mode Number,CPSR5 = 0,If = Reset or FIQ then,CPSR6 = 1,CPSR7 = 1,PC = Exception Vector Address,异常响应伪代码,ARM,异常处理,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。,ARM,微处理器对异常的响应过程用伪码可以描述为：,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,65,从,异常,返回,ARM,异常处理,异常处理完毕之后，,ARM,微处理器会执行以下几步操作从异常返回：,将连接寄存器,LR,的值减去相应的偏移量后送到,PC,中。,将,SPSR,复制回,CPSR,中。,若在进入异常处理时设置了中断禁止位，要在此清除。,可以认为应用程序总是从复位异常处理程序开始执行的，因此复位异常处理程序不需要返回。,66,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。,ARM,异常处理,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。,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 ,#4,67,IRQ,（,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。,ARM,异常处理,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。,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 , #4,68,ABORT,（中止）,产生中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中止异常。,ARM,异常处理,中止异常包括两种类型：,指令预取中止：发生在指令预取时。,数据中止：发生在数据访问时。,当指令预取访问存储器失败时，存储器系统向,ARM,处理器发出存储器中止（,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，指令预取中止异常才会发生，如果指令未被执行，例如在指令流水线中发生了跳转，则预取指令中止不会发生。,若数据中止发生，系统的响应与指令的类型有关。,当确定了中止的原因后，,Abort,处理程序均可以执行以下指令从中止模式返回，无论是在,ARM,状态还是,Thumb,状态：,SUBS PC, R14_abt, #4,；指令预取中止,SUBS PC, R14_abt, #8,；数据中止,69,Software Interruupt(,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,以上指令恢复,PC,（从,R14_svc,）和,CPSR,（从,SPSR_svc,）的值，并返回到,SWI,的下一条指令。,ARM,异常处理,70,Undefined Instruction(,未定义指令,),ARM,异常处理,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。,处理器执行以下程序返回，无论是在,ARM,状态还是,Thumb,状态：,MOVS PC, R14_und,以上指令恢复,PC,（从,R14_und,）和,CPSR,（从,SPSR_und,）的值，并返回到未定义指令后的下一条指令。,71,异常向量表（,Exception Vectors,）,地 址,异 常,进入模式,0x0000,0000,复位,管理模式,0x0000,0004,未定义指令,未定义模式,0x0000,0008,软件中断,管理模式,0x0000,000C,中止（预取指令）,中止模式,0x0000,0010,中止（数据）,中止模式,0x0000,0014,保留,保留,0x0000,0018,IRQ,IRQ,0x0000,001C,FIQ,FIQ,ARM,异常处理,72,异常优先级（,Exception Priorities,）,优先级,异 常,1,（最高）,复位,2,数据中止,3,FIQ,4,IRQ,5,预取指令中止,6,（最低）,未定义指令、,SWI,ARM,异常处理,73,应用程序中的异常处理,当系统运行时，异常可能会随时发生，为保证在,ARM,处理器发生异常时不至于处于未知状态，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，当,ARM,处理器发生异常时，程序计数器,PC,会被强制设置为对应的异常向量，从而跳转到异常处理程序，当异常处理完成以后，返回到主程序继续执行。,我们需要处理所有的异常，尽管我们可以简单的在某些异常处理程序处放置死循环。,ARM,异常处理,