嵌入式系统原理与应用 第2章-ARM7体系结构.ppt

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1、1.ARM简介2.ARM7TDMI3.ARM的模块、内核和功能框图4.ARM处理器状态5.ARM处理器模式ARM7体系结构6.ARM内部寄存器7.当前程序状态寄存器8.ARM体系的异常、中断及其向量表9.ARM体系的存储系统1冯冯诺依曼体系结构模型诺依曼体系结构模型指令寄存器指令寄存器控制器控制器数据通道数据通道输入输入输出输出中央处理器中央处理器存储器存储器程序程序指令指令0 0指令指令1 1指令指令2 2指令指令3 3指令指令4 4数据数据数据数据0 0数据数据1 1数据数据2 22哈佛体系结构哈佛体系结构指令寄存器指令寄存器控制器控制器数据通道数据通道输入输入输出输出中央处理器中央处理器

2、程序存储器程序存储器指令指令0指令指令1指令指令2数据存储器数据存储器数据数据0数据数据1数据数据2地址地址指令指令地址地址数据数据3CISC和和RISCCISCCISC：复杂指令集（：复杂指令集（Complex Instruction Set ComputerComplex Instruction Set Computer）具有大量的指令和寻址方式具有大量的指令和寻址方式8/28/2原则：原则：80%80%的程序只使用的程序只使用20%20%的指令的指令大多数程序只使用少量的指令就能够运行。大多数程序只使用少量的指令就能够运行。RISCRISC：精简指令集（：精简指令集（Reduced In

3、struction Set Computer)Reduced Instruction Set Computer)在通道中只包含最有用的指令在通道中只包含最有用的指令确保数据通道快速执行每一条指令确保数据通道快速执行每一条指令使使CPUCPU硬件结构设计变得更为简单硬件结构设计变得更为简单 42.1ARM简介lARM公司简介ARM是AdvancedRISCMachines的缩写，它是一家微处理器行业的知名企业，该企业设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器。ARM公司的特点是只设计芯片，而不生产。它将技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和OEM(OriginalEquipmentManu

4、facturer,原始设备生产商)厂商，并提供服务。OEM：定牌生产合作，俗称“贴牌”。这种委托他人生产的合作方式即为OEM，承接这加工任务的制造商就被称为OEM厂商，其生产的产品就是OEM产品。5授权费IPARM创造和设计IP产品，例如：芯片Partner把ARMIP和其他IP集成进产品版权费单价OEM用来自ARMPartner的芯片设计制造最终用户产品业务拓展/市场格局ARMARM的业务模型的业务模型62.1ARM简介lARM公司简介将技术授权给其它芯片厂商形成各具特色的形成各具特色的ARMARM芯片芯片.72.1ARM简介lRISC结构特性两种体系结构：CISC(ComplexInstr

5、uctionSetComputer),即“复杂指令系统计算机PC机系列；RISCRISC(reducedinstructionsetcomputer)是精简指令集计算机的缩写，其目标是设计出在高时钟频率下设计出在高时钟频率下单周期执行，简单而有效的指令集单周期执行，简单而有效的指令集。ARM内核采用RISC体系结构，因此具有RISC的结构特点：具有大量的通用存储器；具有大量的通用存储器；独特的装载独特的装载/保存（保存（load-storeload-store）结构；）结构；简单的寻址模式简单的寻址模式;统一和固定长度的指令格式。统一和固定长度的指令格式。82.1ARM简介 为了使ARM能够更

6、好地满足嵌入式应用的需要，ARM体系结构还有以下特点：每条数据处理指令可同时包含算术逻辑单元（ALU）的运算和移位处理，实现ALU和移位器的最大利用；使用地址自增和自减地址自增和自减的寻址方式优化程序循环；装载装载/保存保存指令对数据的批量传输，实现最大数据吞吐量;多数指令的依条件执行，实现最快速的代码执行。lARM体系结构92.1ARM简介l常用ARM处理器系列 ARM公司开发了很多系列的ARM处理器核，目前最新的系列是Cortex，而ARM6核以及更早的系列已经很罕见了。当前应用比较多的ARM处理器核系列有：ARM7ARM9ARM10EXscaleARM11CortexARM9E本课程主要

7、介绍ARM7系列。10ARM内核分类与系列1994-2004年发布的年发布的ARM内核内核112.1ARM简介分类处理器内核处理器内核 内核分类内核分类ARM7 ARM7DMI(-S)ARM720T ARM7EJ-SARM9 ARM920T ARM922TARM9E ARM926EJ-S ARM946E-S ARM966E-S ARM968E-SARM10E ARM1020E ARM1022E ARM1026EJ-S处理器内核处理器内核内核分类内核分类ARM11 ARM1136J(F)-S ARM1156T2(F)-S ARM1176JZ(F)-SSecurCore SC100 SC110 S

8、C200 SC210Strong ARMXscale122.1ARM简介lARMCortex系列简介 基于ARMv7版本的ARM Cortex系列产品由A、R、M三个系列组成，具体分类延续了一直以来ARM面向具体应用设计CPU的思路。ARMCortexA应用处理器（Application Processor）系列 R实时控制处理（Real Time Control）系列M微控制器（Micro Controller）系列132.1ARM简介lCortexTM-M3处理器简介（针对低端市场）该处理器是首款基于ARMv7-M架构的处理器，采用了纯Thumb2指令的执行方式，具有极高的运算能力和中断相

9、应能力。Cortex-M3主要应用于汽车车身系统，工业控制系统和无线网络等对功耗和成本敏感的嵌入式应用领域。lCortexTM-R4处理器简介 该处理器是首款基于ARMv7架构的高级嵌入式处理器，其主要目标为产量巨大的高级嵌入式应用系统，如硬盘，喷墨式打印机，以及汽车安全系统等等。lCortexTM-R4F处理器简介 该处理器在CortexTM-R4处理器的基础上加入了代码错误校正(ECC)技术，浮点运算单元(FPU)以及DMA综合配置的能力，增强了处理器在存储器保护单元、缓存、紧密耦合存储器、DMA访问以及调试方面的能力。142.1ARM简介lCortexTM-A8处理器简介 该处理器是AR

10、M公司所开发的基于基于ARMv7ARMv7架构架构的首款应用级处理器，其特色是运用了可增加代码密度和加强性能的技术、可支持多媒体以及信号处理能力的NEONTM技术、以及能够支持Java和其他文字代码语言的提前和即时编译的JazelleRTC技术。众多先进的技术使其适用于家电以及电子行业等各种高端的应用领域。lARM7系列简介 该系列包括ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、带有高速缓存处理器宏单元的ARM720T和扩充了Jazelle（Java加速器）的ARM7EJ-S。该系列处理器提供Thumb 16位压缩指令集和EmbededICE软件调试方式，适用于更大规模的SoC设计中。ARM7系列

11、广泛应用于多媒体和嵌入式设备，包括Internet设备、网络和调制解调器设备，以及移动电话、PDA等无线设备。152.1ARM简介 该系列包括ARM9TDMI、ARM920T和带有高速缓存处理器宏单元的ARM940T。除了兼容ARM7系列，而且能够更加灵活的设计。ARM9系列主要应用于引擎管理、仪器仪表、安全系统和机顶盒等领域。lARM9系列简介 该系列为含有DSP指令集的综合处理器，包括ARM926EJ-S、带有高速缓存处理器宏单元的ARM966E-S/ARM946E-S。其内核在ARM7处理器内核的基础上使用了Jazelle增强技术，该技术支持一种新的Java操作状态，允许在硬件中执行Ja

12、va字节码。ARM9E系列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。lARM9E系列简介162.1ARM简介lARM10E系列简介 该系列包括ARM1020E和ARM1020E处理器核，其核心在于使用向量浮点（VFP）单元VFP10提供高性能的浮点解决方案，从而极大提高了处理器的整型和浮点运算性能。可以用于视频游戏机和高性能打印机等场合。lXscale简介 Intel Xscale微控制器则提供全性能、高性价比、低功耗的解决方案，支持16位Thumb指令并集成数字信号处理（DSP）指令。主要应用于手提式通讯和消费电子类设备。171.ARM简介2.ARM

13、7TDMI3.ARM的模块、内核和功能框图4.ARM处理器状态5.ARM处理器模式ARM7体系结构6.ARM内部寄存器7.当前程序状态寄存器8.ARM体系的异常、中断及其向量表9.ARM体系的存储系统182.2ARM7TDMIl简介 ARM7TDMI是基于ARM体系结构V4版本的低端ARM核。其弥补了ARM6很难在低于5V电压下稳定工作的不足，还增加了后缀所对应的功能：注意：“ARM核”并非芯片，ARM核与其它部件如RAM、ROM、片内外设组合在一起才能构成现实的芯片。ARM7TDMI-S支持高密度16位的Thumb指令集；支持片上调试；支持64位乘法；支持EmbededICE观察硬件；ARM

14、7TDMI 的可综合（synthesizable）版本（软核），对应用工程师来说其编程模型与ARM7TDMI 一致；19命名的含义标志含义说明T支持Thumb指令集Thumb指令集版本1：ARMv4TThumb指令集版本2：ARMv5TThumb-2：ARMv6TD片上调试M支持长乘法32位乘32位得到64位，32位的乘加得到64位IEmbeddedICEEDSP指令增加了DSP算法处理器指令：16位乘加指令，饱和的带符号数的加减法，双字数据操作，cache预取指令JJava加速器Jazelle提高java代码的运行速度S可综合提供VHDL或Verilog语言设计文件202.2ARM7TDMI

15、l存储器的字与半字从偶数地址开始的连续2个字节构成一个半字；以能被4整除的地址开始的连续4个字节构成一个字；ARM指令的长度刚好是一个字，Thumb指令的长度刚好是一个半字。212.2ARM7TDMI 如果一个数据是从偶地址开始的连续存储，那么它就是半字对齐，否则就是非半字对齐；如果一个数据是以能被4整除的地址开始的连续存储，那么它就是字对齐，否则就是非字对齐。方式方式半字对齐半字对齐字对齐字对齐地址地址0 x40020 x40020 x40040 x40040 x40040 x40040 x40080 x4008特征特征Bit0=0Bit0=0其他位为任意值其他位为任意值Bit1=0,Bit

16、0=0Bit1=0,Bit0=0其他位为任意值其他位为任意值l存储器的存储方式222.2ARM7TDMIl三级流水线 ARM处理器使用流水线来增加处理器指令流的速度，这样可使几个操作同时进行，并使处理和存储器系统连续操作，能提供0.9MIPS/MHz的指令执行速度。ARM7TDMI的流水线分3级，分别为：取指译码执行取指译码执行处理指令并将结果写回寄存器识别将要被执行的指令从寄存器装载一条指令正常操作过程中，在执行一条指令的同时对下一条(第二条)指令进行译码，并将第三条指令从存储器中取出。在ARM状态下，流水线上各指令的地址为：在Thumb状态下，流水线上各指令的地址为：PCPC-4PC-8P

17、CPC-2PC-4232.2ARM7TDMIl三级流水线结构的指令执行顺序PC指令1指令2指令3指令4程序存储器PC-4PC-8PC+4周期1周期2周期3周期4周期5周期6取指译码执行取指译码执行取指译码执行取指译码执行周期周期2周期周期1周期周期3周期周期4 在第1个周期，PC指向指令1，此时指令1进入三级流水线的取指阶段。1 在第2个周期，PC指向指令2，此时指令1进入三级流水线的译码阶段，同时取出指令2。2 在第3个周期，PC指向指令3，此时指令1进入三级流水线的执行阶段，指令2进入译码阶段，取出指令3。3 在第4个周期，指令1执行完成，指令2和指令3流水线推进一级，同时开始指令4的取指

18、处理。4处理器执行一条指令的三个阶段24 执行ADD PC,PC,#4指令后，PC的值为多少？2.2ARM7TDMIl思考题ADDPC，PC，#40 x40000 x40040 x40080 x400C地址指令PC取指译码执行PCPC-4PC-8ARM7的3级流水线ADD 程序计数器R15(PC)总是指向“正在取指”的指令，而不是指向“正在执行”的指令或“正在译码”的指令。一般来说，人们习惯性约定将“正在执行”的指令作为参考点，则：PC值当前程序执行位置8 注：ARM状态时，每条指令为4字节长。PC指向0 x4000地址，取指ADD指令。PC指向0 x4004地址，译码ADD指令。PC指向0

19、x4008地址，执行ADD指令，所以指令执行的结果为:PC=PC+40 x400840 x400C。251.ARM简介2.ARM7TDMI3.ARM的模块、内核和功能框图4.ARM处理器状态5.ARM处理器模式ARM7体系结构6.ARM内部寄存器7.当前程序状态寄存器8.ARM体系的异常、中断及其向量表9.ARM体系的存储系统26CPU扫描链1扫描链1数据总线数据总线扫描链1扫描链2协处理器信号接口EmbeddedICE-RTTAP控制器EmbeddedICE-RT宏单元DBGTCKENDBGTMSDBGnTRSTDBGTDIDBGTDORDATA31:0WDATA31:0ADDR31:0TR

20、ANS1:0PROT1:0SIZE1:0WRITELOCKDBGRNG(0)DBGRNG(1)DBGEXT(1)DBGEXT(0)2.3ARM模块框图CPU协处理接口信号EmbedICE硬件仿真功能模块片上调试系统读写总线272.3ARM内核框图地址寄存器寄存器组31*32位寄存器（6个状态寄存器）地址增加器乘法器桶形移位器32位ALU写数据寄存器指令管线读数据寄存器Thumb指令译码器指令译码和控制逻辑ADDR31:0CLKCLENCFGBIGENDnIRQnFIQnRESETABORTLOCKWRITESIZE1:0PROT1:0TRANS1:0DBG输出DBG输入CP控制CP握手WDAT

21、A31:0RDATA31:0扫描调试控制282.3ARM功能框图ARM7TDMI-S处理器LOCKCLKCLKENnIRQnFIQnRESETCFGBIGENDDBGRQDMOREDBGINSTRVAILDDBGBREAKDBGACKDBGnEXECDBGEXT1DBGEXT0DBGENDBGCOMMTXDBGCOMMRXDBGRNG0DBGRNG1DBGTCKENDBGTMSDBGTDIDBGnTRSTDBGTDODBGnTDOENADDR31:0WDATA31:0RDATA31:0ABORTWRITESIZE1:0PROT1:0TRANS1:0CPnTRANSCPnOPCCPnMREQCP

22、SEQCPTBITCPnICPACPB同步的扫描调试访问接口存储器接口存储器管理接口协处理器接口时钟中断总线控制仲裁调试291.ARM简介2.ARM7TDMI3.ARM的模块、内核和功能框图4.ARM处理器状态5.ARM处理器模式ARM7体系结构6.ARM内部寄存器7.当前程序状态寄存器8.ARM体系的异常、中断及其向量表9.ARM体系的存储系统302.4ARM处理器状态l处理器状态 ARM7TDMI处理器内核包含2套指令系统，分别为ARM指令集和Thumb指令，并且各自对应1种处理器的状态：ARM状态：32位，处理器执行字方式的ARM指令，处理器默认为此状态；Thumb状态：16位，处理器执

23、行半字方式的Thumb指令。注意：注意：两个状态之间的切换并不影响处理器模式或寄存器内容。312.4ARM处理器状态l状态切换的一个例子地址最低位为0，表示切换到ARM状态 使用BX指令将ARM内核的操作状态在ARM状态和Thumb状态之间进行切换。ARM指令集Thumb指令集CODE32LDRR0,=Lable+1BXR0CODE16LableMOVR1,#12CODE16LDRR0,=LableBXR0CODE32LableMOVR1,#10地址最低位为1，表示切换到Thumb状态跳转地址标号执行完BX指令，处理器切换到Thumb状态，开始执行Thumb指令程序代码指令集关系 从ARM状态

24、切换到Thumb状态的程序代码如下：从Thumb状态切换到ARM状态的程序代码如下：执行完BX指令，处理器切换到ARM状态，开始执行ARM指令321.ARM简介2.ARM7TDMI3.ARM的模块、内核和功能框图4.ARM处理器状态5.ARM处理器模式ARM7体系结构6.ARM内部寄存器7.当前程序状态寄存器8.ARM体系的异常、中断及其向量表9.ARM体系的存储系统332.5ARM处理器模式l简介ARM体系结构支持7种处理器模式，分别为：用户模式、快中断模式、中断模式、管理模式、用户模式、快中断模式、中断模式、管理模式、中止模式、未定义模式和系统模式。中止模式、未定义模式和系统模式。这样的好

25、处是可以更好的支持操作系统并提高工作效率。ARM7TDMI完全支持这七种模式。34 除用户模式外，其它模式均为特权模式。ARM内部寄存器和一些片内外设在硬件设计上只允许（或者可选为只允许）特权模式下访问。此外，特权模式可以自由的切换处理器模式，而用户模式不能直接切换到别的模式。处理器模式处理器模式说明说明备注备注用户(usr)正常程序运行的工作模式不能直接从用户模式切换到其它模式特权模式系统(sys)用于支持操作系统的特权任务等与用户模式类似，但具有可以直接切换到其它模式等特权异常模式快中断(fiq)快速中断请求处理只有在FIQ异常响应时，才进入此模式中断(irq)中断请求处理只有在IRQ异常

26、响应时，才进入此模式管理(svc)供操作系统使用的一种保护模式只有在系统复位和软件中断响应时，才进入此模式中止(abt)用于虚拟内存和/或存储器保护在ARM7内核中没有多大用处未定义(und)支持软件仿真的硬件协处理器只有在未定义指令异常响应时，才进入此模式l处理器模式 这两种模式都不能由异常进入，想要进入必须修改CPSR，而且它们使用完全相同的寄存器组。系统模式是特权模式，不受用户模式的限制。操作系统在该模式下访问用户模式的寄存器就比较方便，而且操作系统的一些特权任务可以使用这个模式访问一些受控的资源。这五种模式称为异常模式。它们除了可以通过程序切换进入外，也可以由特定的异常进入。当特定的异

27、常出现时，处理器进入相应的模式。每种异常模式都有一些独立的寄存器，以避免异常退出时用户模式的状态不可靠。何时进入异常模式，具体规定如下：处理器复位之后进入管理模式，操作系统内核通常处于管理模式；当处理器访问存储器失败时，进入数据访问中止模式；当处理器遇到没有定义或不支持的指令时，进入未定义模式；中断模式与快速中断模式分别对ARM处理器2种不同级别的中断作出响应。351.ARM简介2.ARM7TDMI3.ARM的模块、内核和功能框图4.ARM处理器状态5.ARM处理器模式ARM7体系结构6.ARM内部寄存器7.当前程序状态寄存器8.ARM体系的异常、中断及其向量表9.ARM体系的存储系统362.

28、6ARM内部寄存器l简介 在ARM处理器内部共有37个用户可访问的寄存器，分别为31个通用32位寄存器和6个状态寄存器。ARM处理器共有7种不同的处理器模式，每种模式都有一组相应的寄存器组，最多可以18个活动的寄存器。SPSR：普通模式和系统模式下是看不见SPSR这个寄存器的！只有当进入异常模式的时候，SPSR就会保存当前CPSR的状态，便于退出异常时恢复使用。37ARM状态各模式下的寄存器寄存器寄存器类别类别寄存器在汇寄存器在汇编中的名称编中的名称各模式下实际访问的寄存器各模式下实际访问的寄存器用户用户系统系统管理管理中止中止未定义未定义中断中断快中断快中断通通用用寄寄存存器器和和程程序序计

29、计数数器器R0(a1)R0R1(a2)R1R2(a3)R2R3(a4)R3R4(v1)R4R5(v2)R5R6(v3)R6R7(v4)R7R8(v5)R8R8_fiqR9(SB,v6)R9R9_fiqR10(SL,v7)R10R10_fiqR11(FP,v8)R11R11_fiqR12(IP)R12R12_fiqR13(SP)R13R13_svcR13_abtR13_undR13_irqR13_fiqR14(LR)R14R14_svcR14_abtR14_undR13_irqR14_fiqR15(PC)R15状态状态寄存器寄存器CPSRCPSRSPSRSPSR_svcSPSR_abtSPSR_

30、undSPSR_irqSPSR_fiq 所有的37个寄存器，分成两大类：31个通用32位寄存器；6个状态寄存器。38ARM状态各模式下可以访问的寄存器寄存器寄存器类别类别寄存器在汇寄存器在汇编中的名称编中的名称各模式下实际访问的寄存器各模式下实际访问的寄存器用户用户系统系统管理管理中止中止未定义未定义中断中断快中断快中断通通用用寄寄存存器器和和程程序序计计数数器器R0(a1)R0R1(a2)R1R2(a3)R2R3(a4)R3R4(v1)R4R5(v2)R5R6(v3)R6R7(v4)R7R8(v5)R8R8_fiqR9(SB,v6)R9R9_fiqR10(SL,v7)R10R10_fiqR1

31、1(FP,v8)R11R11_fiqR12(IP)R12R12_fiqR13(SP)R13R13_svcR13_abtR13_undR13_irqR13_fiqR14(LR)R14R14_svcR14_abtR14_undR14_irqR14_fiqR15(PC)R15状态状态寄存器寄存器CPSRCPSRSPSRSPSR_svcSPSR_abtSPSR_undSPSR_irqSPSR_fiq39未分组的通用寄存器寄存器寄存器类别类别寄存器在汇寄存器在汇编中的名称编中的名称各模式下实际访问的寄存器各模式下实际访问的寄存器用户用户系统系统管理管理中止中止未定义未定义中断中断快中断快中断通通用用寄寄

32、存存器器和和程程序序计计数数器器R0(a1)R0R1(a2)R1R2(a3)R2R3(a4)R3R4(v1)R4R5(v2)R5R6(v3)R6R7(v4)R7R8(v5)R8R8_fiqR9(SB,v6)R9R9_fiqR10(SL,v7)R10R10_fiqR11(FP,v8)R11R11_fiqR12(IP)R12R12_fiqR13(SP)R13R13_svcR13_abtR13_undR13_irqR13_fiqR14(LR)R14R14_svcR14_abtR14_undR13_irqR14_fiqR15(PC)R15状态状态寄存器寄存器CPSRCPSRSPSRSPSR_svcSP

33、SR_abtSPSR_undSPSR_irqSPSR_fiq寄存器R0R7为未分组的通用寄存器，它们在任何处理器模式都对应于相同的32位物理寄存器。第一类分组的通用寄存器寄存器R8R12有两个分组的物理寄存器。一个用于除FIQ模式之外的所有寄存器模式，另一个用于FIQ模式。在发生FIQ中断后，处理器不必为保护寄存器而浪费时间，从而加速了FIQ的处理速度。第二类分组的通用寄存器寄存器R13、R14分别有6个分组的物理寄存器。1个用于用户和系统模式，其余5个分别用于5种异常模式。寄存器R13通常作为堆栈指针（SP），用于保存待使用的寄存器的内容。寄存器R14称为链接寄存器（LR），在结构上有两个特

34、殊功能：当使用BL指令调用子程序时，返回地址将自动存入R14中；当发生异常时，将R14对应的异常模式版本设置为异常返回地址（有些异常有一个小的固定偏移量）。程序计数器寄存器R15称为程序计数器（PC），它指向正在“取指”的指令。状态寄存器寄存器CPSR为当前程序状态寄存器，在异常模式中，另外一个寄存器“程序状态保存寄存器（SPSR）”可以被访问。每种异常都有自己的SPSR，在进入异常时它保存CPSR的当前值，异常退出时可通过它恢复CPSR。402.6ARM内部寄存器l在Thumb状态各模式下实际访问的寄存器 Thumb状态寄存器集是ARM状态集的子集，程序员可以直接访问的寄存器为：8个通用寄存

35、器R0R7；程序计数器（PC）；堆栈指针（SP）；链接寄存器（LR）；当前程序状态寄存器（Current Program State Register,CPSR）。41在Thumb状态各模式下的寄存器寄存器寄存器类别类别寄存器在汇寄存器在汇编中的名称编中的名称各模式下实际访问的寄存器各模式下实际访问的寄存器用户用户系统系统管理管理中止中止未定义未定义中断中断快中断快中断通通用用寄寄存存器器和和程程序序计计数数器器R0(a1)R0R1(a2)R1R2(a3)R2R3(a4)R3R4(v1)R4R5(v2)R5R6(v3)R6R7(v4,WR)R7SPR13R13_scvR13_abtR13_un

36、dR13_irqR13_fiqLRR14R14_svcR14_abtR14_undR13_irqR14_fiqPCR15状态状态寄存器寄存器CPSRCPSRl未分组的通用寄存器l第二类分组的通用寄存器在汇编语言中寄存器R0R7为通用寄存器，对于任何处理器模式，它们中的每一个都对应于相同的32位物理寄存器。堆栈指针SP对应ARM状态的寄存器R13。每个异常模式都有其自身的SP分组版本，SP通常指向各异常模式所专用的堆栈。注意：在发生异常时，处理器自动进入ARM状态。链接寄存器LR对应ARM状态寄存器R14。注意：在发生异常时，处理器自动进入ARM状态。42ARM状态Thumb寄存器在ARM状态寄

37、存器上的映射R0R1R2R3R4R5R6R7R8R9R10R11R12堆栈指针(R13)连接寄存器(R14)程序计数器(R15)CPSRSPSRR0R1R2R3R4R5R6R7堆栈指针(SP)连接寄存器(LR)程序计数器(PC)CPSRThumb状态 Thumb状态R0R7与ARM状态R0R7相同；1 Thumb状态CPSR(无SPSR)与ARM状态CPSR相同。5 Thumb状态SP映射到ARM状态R13；2 Thumb状态LR映射到ARM状态R14；3 Thumb状态PC映射到ARM状态R15(PC)；4低端寄存器高端寄存器 在Thumb状态中，高端寄存器的访问是受到限制的，只有MOV、C

38、MP和ADD指令可以对其访问，可以用于数据的快速暂存。43ARMThumbARMResetBXBXARM中断服务程序正常程序事件ARMARMISR1ISR2ISRnl状态切换过程异常发生进入退出 系统复位，自动切换到ARM状态。1 通过BX和BLX指令改变当前处理器模式，使之从ARM状态切换到Thumb状态。2 在Thumb状态下，正常程序执行时产生中断异常。3 处理器进入中断异常，自动的将模式切换到ARM状态。4 异常处理完毕，返回正常程序，此时处理器自动的将模式切换到Thumb状态。5 再次通过BX和BLX指令改变当前处理器模式，使之从Thumb状态切换到ARM状态。6 程序在正常运行的过

39、程中，复位事件产生，导致系统复位。441.ARM简介2.ARM7TDMI3.ARM的模块、内核和功能框图4.ARM处理器状态5.ARM处理器模式ARM7体系结构6.ARM内部寄存器7.当前程序状态寄存器8.ARM体系的异常、中断及其向量表9.ARM体系的存储系统452.7当前程序状态寄存器(CPSR)l简介 ARM内核包含1个CPSR和5个仅供异常处理程序使用的SPSR。CPSR反映当前处理器的状态，其包含：4个条件代码标志(负标志N、零标志Z、进位标志C和溢出标志V)；2个中断禁止位(IRQ禁止与FIQ禁止)；5个对当前处理器模式进行编码的位(M4:0)；1个用于指示当前执行指令的位(ARM

40、指令还是Thumb指令)。462.7当前程序状态寄存器(CPSR)l程序状态寄存器的格式NZCV IM0M1M2M3M4TF.31 30 29 28 27 26 8 7 6 5 4 3 2 1 0条件代码标志保留控制位溢出标志进位或借位扩展零负或小于IRQ禁止FIQ禁止状态位模式位NZCVIM0M1M2M3M4TF472.7当前程序状态寄存器(CPSR)l条件代码标志各标志位的含义如下：负标志N：运算结果的第31位值，记录标志设置操作的结果；零标志Z：如果标志设置的操作为0，则置位；进位标志C：记录无符号加法溢出，减法无借位，循环移位；溢出标志V：记录标志设置操作的有符号溢出。48 警告：绝对

41、不要强制改变CPSR寄存器中的控制位T。如果这样做，处理器将进入一个无法预测的状态。2.7当前程序状态寄存器l控制位1、中断禁止控制位I和F；2、处理器状态位T；3、处理器模式位M0M4。当控制位I置位时，IRQ中断被禁止；当控制位F置位时，FIQ中断被禁止。当控制位T置位时，处理器正在Thumb状态下运行；当控制位T清零时，处理器正在ARM状态下运行。M4:0模式模式可见的可见的Thumb状态寄存器状态寄存器可见的可见的ARM状态寄存器状态寄存器10000用户R0R7,SP,LR,PC,CPSRR0R14,PC,CPSR10001快速中断R0R7,SP_fiq,LR_fiq,PC,CPSR,

42、SPSR_fiqR0R7,R8_fiqR14_fiq,PC,CPSR,SPSR_fiq10010中断R0R7,SP_irq,LR_irq,PC,CPSR,SPSR_fiqR0R12,R13_irq,R14_irq,PC,CPSR,SPSR_irq10011管理R0R7,SP_svc,LR_svc,PC,CPSR,SPSR_svcR0R12,R13_svc,R14_svc,PC,CPSR,SPSR_svc10111中止R0R7,SP_abt,LR_abt,PC,CPSR,SPSR_abtR0R12,R13_abt,R14_abt,PC,CPSR,SPSR_abt11011未定义R0R7,SP_u

43、nd,LR_und,PC,CPSR,SPSR_undR0 R12,R13_und,R14_und,PC,CPSR,SPSR_und11111系统R0R7,SP,LR,PC,CPSRR0R14,PC,CPSR 注意：不是所有模式位的组合都定义了有效的处理器模式，如果将非法值写入M4:0中，处理器将进入一个无法恢复的模式。492.7当前程序状态寄存器l保留位 CPSR中的保留位被保留将来使用。当改变CPSR标志和控制位时，请确认没有改变这些保留位。另外，请确保您的程序不依赖于包含特定值的保留位，因为将来的处理器可能会将这些位设置为1或者0。SPSR（SavedProgramStatusRegist

44、er）：普通模式和系统模式下是看不见SPSR这个寄存器的！只有当进入异常模式的时候，SPSR就会保存当前CPSR的状态，便于退出异常时恢复使用。501.ARM简介2.ARM7TDMI3.ARM的模块、内核和功能框图4.ARM处理器状态5.ARM处理器模式ARM7体系结构6.ARM内部寄存器7.当前程序状态寄存器8.ARM体系的异常、中断及其向量表9.ARM体系的存储系统512.8ARM体系的异常l异常简介 只要正常的程序流被暂时中止，处理器就进入异常模式。例如在用户模式下执行程序时，当外设向处理器内核发出中断请求导致内核从用户模式切换到异常中断模式。如果同时发生两个或更多异常，那么将按照固定的

45、顺序来处理异常。52l异常入口/出口汇总 下表所示为异常返回地址值以及退出异常处理程序所推荐使用的指令。异常或入口异常或入口返回指令返回指令返回地址返回地址SWIMOVSPC,R14_svcR14未定义的指令MOVSPC,R14_undR14预取中止SUBSPC,R14_abt,#4R144快速中断SUBSPC,R14_fiq,#4R144中断SUBSPC,R14_irq,#4R144数据中止SUBSPC,R14_abt,#8R148复位无 注意：“MOVS PC,R14_svc”是指在管理模式执行MOVS PC,R14 指令，同样类似的指令还有“MOVS PC,R14_und”、“SUBS

46、PC,R14_abt,#4”等。532.8ARM体系的异常l异常向量表地址地址异常异常进入时的模式进入时的模式进入时进入时I的状态的状态进入时进入时F的状态的状态0 x00000000复位管理禁止禁止0 x00000004未定义指令未定义IF0 x00000008软件中断异常管理禁止F0 x0000000C中止（预取）中止IF0 x00000010中止（数据）中止IF0 x00000014保留保留0 x00000018IRQ中断禁止F0 x0000001CFIQ快速中断禁止禁止注：表中的I和F表示不对该位有影响，保留原来的值。542.8ARM体系的异常l异常优先级 当多个异常同时发生时，一个固

47、定的优先级决定系统处理它们的顺序。优先级优先级异常异常1复位2数据中止3FIQ4IRQ5预取指中止6未定义指令中止6软件中断异常优先级由高到低552.8ARM体系的异常l异常的进入当一个异常导致模式切换时，内核自动的做如下处理：l将异常处理程序的返回地址（加固定的偏移量）保存到相应异常模式下的LR；l将CPSR的当前值保存到相应异常模式下的SPSR；l设置CPSR为相应的异常模式；l设置PC为相应异常处理程序的中断入口向量地址，跳转到相应的异常中断处理程序执行；用户模式SPSR异常模式CPSRR15(PC)R14(LR)R0R13BackAddrJumpAddrUserModeExceptio

48、nMode程序代码正常运行在用户模式下。562.8ARM体系的异常l异常的进入当一个异常导致模式切换时，内核自动的做如下处理：l将异常处理程序的返回地址（加固定的偏移量）保存到相应异常模式下的LR；l将CPSR的当前值保存到相应异常模式下的SPSR；l设置CPSR为相应的异常模式；l设置PC为相应异常处理程序的中断入口向量地址，跳转到相应的异常中断处理程序执行；572.8ARM体系的异常l异常的退出 当异常处理程序结束时，异常处理程序必须：l返回到发生异常中断的指令的下一条指令处执行，即就是说将LR中的值减去偏移量后移入PC；l将SPSR的值复制回CPSR；SPSR异常模式用户模式CPSRR1

49、5(PC)R14(LR)R0R13BackAddrCurrentAddrUserModeExceptionModeBackAddrOff582.8ARM体系的异常l异常的退出 当异常处理程序结束时，异常处理程序必须：l返回到发生异常中断的指令的下一条指令处执行，即就是说将LR中的值减去偏移量后移入PC；l将SPSR的值复制回CPSR；l清零在入口处置位的中断禁止标志。592.8ARM体系的异常l复位异常 当nRESET信号被拉低时，ARM处理器放弃正在执行的指令，等到nRESET信号再次变高时，处理器执行一下操作：l强制M4:0变为b10011，系统进入管理模式；l将CPSR中的标志位I和F置

50、位，IRQ与FIQ中断被禁止；l将CPSR中的标志位T清零，处理器处于ARM状态；l强制PC从地址0 x00开始对下一条指令进行取指；l返回到ARM状态并恢复执行。602.8ARM体系的异常l中断请求异常 只有当CPSR中相应的中断屏蔽位被清除时，才可能发生IRQ异常，中断请求（IRQ）异常由一个nIRQ输入端的低电平所产生的正常中断。注：中断异常产生时，中断异常模式下的R14保存的是PC的值。取指 译码 执行取指 译码 执行取指 译码 执行周期4 周期5周期1 周期2 周期3PC-8指令1指令2指令3PC-4PC中断发生周期指令1的执行不会中断；异常程序结束时返回到指令2；进入中断服务程序时