嵌入式系统技术与设计 第2章ARM体系结构与指集.ppt

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1、嵌入式系统技术与设计第第2章章 ARM体系结构与指令集体系结构与指令集ARMARM体系结构的特点体系结构的特点2.1ARMARM处理器工作模式处理器工作模式2.2寄存器组织寄存器组织2.3流流 水水 线线2.4ARMARM存储系统存储系统2.5异异 常常2.6ARMARM处理器的寻址方式处理器的寻址方式2.7ARMARM处理器的指令集处理器的指令集2.8 本章将要介绍本章将要介绍ARMARM体系结构、体系结构、ARMARM处理器的处理器的工作模式及常用指令集等。通过本章的学习，工作模式及常用指令集等。通过本章的学习，希望读者能够了解希望读者能够了解ARMARM处理器内部的主要工作处理器内部的主

2、要工作单元、基本工作原理，掌握常用指令集，并为单元、基本工作原理，掌握常用指令集，并为以后的程序设计打下基础。以后的程序设计打下基础。本章主要内容：本章主要内容：ARMARM体系结构的特点体系结构的特点 ARMARM处理器的工作模式处理器的工作模式 寄存器组织寄存器组织 流水线流水线 ARMARM存储存储 异常异常 ARMARM处理器的寻址方式处理器的寻址方式 ARMARM处理器的指令集处理器的指令集2.1 ARM2.1 ARM体系结构的特点体系结构的特点 ARMARM内核采用内核采用RISCRISC体系结构。体系结构。RISCRISC技术的技术的主要特点参见主要特点参见1.31.3节。节。A

3、RMARM体系结构的主要特征如下（在本书的体系结构的主要特征如下（在本书的后续章节中将对这些特征做详细讲解）：后续章节中将对这些特征做详细讲解）：（1 1）大量的寄存器，它们都可以用于多）大量的寄存器，它们都可以用于多种用途；种用途；（2 2）Load/StoreLoad/Store体系结构；体系结构；（3 3）每条指令都条件执行；）每条指令都条件执行；（4 4）多寄存器的）多寄存器的Load/StoreLoad/Store指令；指令；（5 5）能够在单时钟周期执行的单条指令）能够在单时钟周期执行的单条指令内完成一项普通的移位操作和一项普通的内完成一项普通的移位操作和一项普通的ALUALU操作

4、；操作；（6 6）通过协处理器指令集来扩展）通过协处理器指令集来扩展ARMARM指令指令集，包括在编程模式中增加了新的寄存器和数集，包括在编程模式中增加了新的寄存器和数据类型。据类型。（7 7）如果把）如果把ThumbThumb指令集也当作指令集也当作ARMARM体系体系结构的一部分，那么还可以加上：在结构的一部分，那么还可以加上：在ThumbThumb体体系结构中以高密度系结构中以高密度1616位压缩形式表示指令集。位压缩形式表示指令集。2.2 ARM2.2 ARM处理器工作模式处理器工作模式表表表表2-1 2-1 ARMARM处处处处理器的工作模式理器的工作模式理器的工作模式理器的工作模式

5、处理器工作模式简 写描 述用户模式（User）usr正常程序执行模式，大部分任务执行在这种模式下快速中断模式（FIQ）fiq当一个高优先级（fast）中断产生时将会进入这种模式，一般用于高速数据传输和通道处理外部中断模式（IRQ）irq当一个低优先级（normal）中断产生时将会进入这种模式，一般用于通常的中断处理特权模式（Supervisor）svc当复位或软中断指令执行时进入这种模式，是一种供操作系统使用的保护模式数据访问中止模式（Abort）abt当存取异常时将会进入这种模式，用于虚拟存储或存储保护未定义指令中止模式（Undef）und当执行未定义指令时进入这种模式，有时用于通过软件仿真

6、协处理器硬件的工作方式系统模式（System）sys使用和User模式相同寄存器集的模式，用于运行特权级操作系统任务 除用户模式外的其他除用户模式外的其他6 6种处理器模式称为种处理器模式称为特权模式（特权模式（Privileged ModesPrivileged Modes）。在特权模式）。在特权模式下，程序可以访问所有的系统资源，也可以任下，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切换。其中以下意地进行处理器模式切换。其中以下5 5种又称种又称为异常模式：为异常模式：（1 1）快速中断模式（）快速中断模式（FIQFIQ）；）；（2 2）外部中断模式（）外部中断模式（IRQIR

7、Q）；）；（3 3）特权模式（）特权模式（SuperviorSupervior）；）；（4 4）数据访问中止模式（）数据访问中止模式（AbortAbort）；）；（5 5）未定义指令中止模式（）未定义指令中止模式（UndefUndef）。）。2.3 2.3 寄存器组织寄存器组织 ARMARM处理器有如下处理器有如下3737个个3232位长的寄存器：位长的寄存器：（1 1）3030个通用寄存器；个通用寄存器；（2 2）6 6个状态寄存器：个状态寄存器：1 1个个CPSRCPSR（Current Current Program Status RegisterProgram Status Regis

8、ter，当前程序状态寄，当前程序状态寄存器），存器），5 5个个SPSRSPSR（Saved Program Status Saved Program Status RegisterRegister，备份程序状态寄存器）；，备份程序状态寄存器）；（3 3）1 1个个PCPC（Program CounterProgram Counter，程序计，程序计数器）。数器）。ARMARM处理器共有处理器共有7 7种不同的处理器模式，在种不同的处理器模式，在每一种处理器模式中有一组相应的寄存器组。每一种处理器模式中有一组相应的寄存器组。表表2-22-2列出了列出了ARMARM处理器的寄存器组织概要。处理器

9、的寄存器组织概要。表表表表2-2 2-2 ARMARM处处处处理器的寄存器理器的寄存器理器的寄存器理器的寄存器组织组织组织组织概要概要概要概要UserFIQIRQSVCUndefAbortR0User modeR0R7,R15和CPSRUser modeR0R12,R15和CPSRUser modeR0R12,R15和CPSRUser modeR0R12,R15和CPSRUser modeR0R12,R15和CPSRR1R2R3R4R5R6R7R8R8R9R9R10R10R11R11R12R12R13(SP)R13(SP)R13R13R13R13R14(LR)R14(LR)R14R14R14R

10、14R15(PC)CPSRSPSRSPSRSPSRSPSRSPSR2.3.1 通用寄存器通用寄存器 通用寄存器根据其分组与否可分为以下通用寄存器根据其分组与否可分为以下2 2类。类。（1 1）未分组寄存器（）未分组寄存器（the Unbanked the Unbanked RegisterRegister），包括），包括R0R0R7R7。（2 2）分组寄存器（）分组寄存器（the Banked the Banked RegisterRegister），包括），包括R8R8R14R14。未分组寄存器包括未分组寄存器包括R0R0R7R7。未分组寄存器没有被系统用于特殊的用途，未分组寄存器没有被系统

11、用于特殊的用途，任何可采用通用寄存器的应用场合都可以使用任何可采用通用寄存器的应用场合都可以使用未分组寄存器。未分组寄存器。1 1未分组寄存器未分组寄存器 对于分组寄存器对于分组寄存器R13R13和和R14R14来说，每个寄存来说，每个寄存器对应器对应6 6个不同的物理寄存器。其中的一个是个不同的物理寄存器。其中的一个是用户模式和系统模式公用的，而另外用户模式和系统模式公用的，而另外5 5个分别个分别用于用于5 5种异常模式。访问时需要指定它们的模种异常模式。访问时需要指定它们的模式。名字形式如下：式。名字形式如下：（1 1）R13_R13_ （2 2）R14_R14_ 其中，其中，可以是以下

12、几种模式之一：可以是以下几种模式之一：usrusr、svcsvc、abtabt、undund、irpirp及及fiqfiq。2 2分组寄存器分组寄存器 寄存器寄存器R14R14又被称为连接寄存器（又被称为连接寄存器（Link Link RegisterRegister，LRLR），在），在ARMARM体系结构中具有下面体系结构中具有下面两种特殊的作用。两种特殊的作用。（1 1）每一种处理器模式用自己的）每一种处理器模式用自己的R14R14存放存放当前子程序的返回地址。当前子程序的返回地址。（2 2）当异常中断发生时，该异常模式特）当异常中断发生时，该异常模式特定的物理寄存器定的物理寄存器R14

13、R14被设置成该异常模式的返被设置成该异常模式的返回地址，对于有些模式回地址，对于有些模式R14R14的值可能与返回地的值可能与返回地址有一个常数的偏移量（如数据异常使用址有一个常数的偏移量（如数据异常使用SUB SUB PCPC，LRLR，#8#8返回）。返回）。R14R14也可以被用做通用寄存器使用。也可以被用做通用寄存器使用。2.3.2 状态寄存器状态寄存器 当前程序状态寄存器（当前程序状态寄存器（Current Program Current Program Status RegisterStatus Register，CPSRCPSR）可以在任何处理器）可以在任何处理器模式下被访问，

14、它包含下列内容：模式下被访问，它包含下列内容：（1 1）ALUALU（Arithmetic Logic UnitArithmetic Logic Unit，算，算术逻辑单元）状态标志的备份；术逻辑单元）状态标志的备份；（2 2）当前的处理器模式；）当前的处理器模式；（3 3）中断使能标志；）中断使能标志；（4 4）设置处理器的状态（只在）设置处理器的状态（只在4T4T架构）。架构）。图图图图2-1 2-1 程序状程序状程序状程序状态态态态寄存器格式寄存器格式寄存器格式寄存器格式 N N（NegativeNegative）、）、Z Z（ZeroZero）、）、C C（CarryCarry）和和V

15、 V（oVerflowoVerflow）通称为条件标志位。）通称为条件标志位。（1 1）N N （2 2）Z Z （3 3）C C （4 4）V V1 1标志位标志位 在带在带DSPDSP指令扩展的指令扩展的ARM v5ARM v5及更高版本中，及更高版本中，bit27bit27被指定用于指示增强的被指定用于指示增强的DAPDAP指令是否发指令是否发生了溢出，因此也就被称为生了溢出，因此也就被称为Q Q标志位。同样，标志位。同样，在在SPSRSPSR中中bit27bit27也被称为也被称为Q Q标志位，用于在异标志位，用于在异常中断发生时保存和恢复常中断发生时保存和恢复CPSRCPSR中的中的

16、Q Q标志位。标志位。2 2Q Q标志位标志位 CPSRCPSR的低的低8 8位（位（I I、F F、T T及及M40M40）统称）统称为控制位。当异常发生时，这些位的值将发生为控制位。当异常发生时，这些位的值将发生相应的变化。另外，如果在特权模式下，也可相应的变化。另外，如果在特权模式下，也可以通过软件编程来修改这些位的值。以通过软件编程来修改这些位的值。（1 1）中断禁止位）中断禁止位 （2 2）状态控制位）状态控制位 （3 3）模式控制位）模式控制位3 3控制位控制位表表表表2-3 2-3 状状状状态态态态控制位控制位控制位控制位M4M4 00含含含含义义义义M40处理器模式可以访问的寄

17、存器0b10000UserPC，R14R0，CPSR0b10001FIQPC，R14_fiqR8_fiq，R7R0，CPSR，SPSR_fiq0b10010IRQPC，R14_irqR13_irq，R12R0，CPSR，SPSR_irq 0b10011SupervisorPC，R14_svcR13_svc，R12R0，CPSR，SPSR_svc0b10111AbortPC，R14_abtR13_abt，R12R0，CPSR，SPSR_abt0b11011UndefinedPC，R14_undR13_und，R12R0，CPSR，SPSR_und0b11111SystemPC，R14R0，CPS

18、R（ARM v4及更高版本）2.3.3 程序计数器程序计数器 程序计数器程序计数器R15R15又被记为又被记为PCPC。程序计数器在下面两种情况下用于特殊的程序计数器在下面两种情况下用于特殊的目的。目的。（1 1）读程序计数器。）读程序计数器。（2 2）写程序计数器。）写程序计数器。2.4 2.4 流流 水水 线线2.4.1 流水线的概念与原理流水线的概念与原理 处理器按照一系列步骤来执行每一条指令，处理器按照一系列步骤来执行每一条指令，典型的步骤如下：典型的步骤如下：（1 1）从存储器读取指令（）从存储器读取指令（fetchfetch）；）；（2 2）译码以鉴别它是属于哪一条指令）译码以鉴别

19、它是属于哪一条指令（decodedecode）；）；（3 3）从指令中提取指令的操作数（这些）从指令中提取指令的操作数（这些操作数往往存在于寄存器中）（操作数往往存在于寄存器中）（regreg）；）；（4 4）将操作数进行组合以得到结果或存）将操作数进行组合以得到结果或存储器地址（储器地址（ALUALU）；）；（5 5）如果需要，则访问存储器以存储数）如果需要，则访问存储器以存储数据（据（memmem）；）；（6 6）将结果写回到寄存器堆（）将结果写回到寄存器堆（resres）。）。2.4.2 流水线的分类流水线的分类 到到ARM7ARM7为止的为止的ARMARM处理器使用简单的处理器使用简单

20、的3 3级级流水线，它包括下列流水线级。流水线，它包括下列流水线级。（1 1）取指令（）取指令（fetchfetch）：从寄存器装载）：从寄存器装载一条指令。一条指令。（2 2）译码（）译码（decodedecode）：识别被执行的指）：识别被执行的指令，并为下一个周期准备数据通路的控制信号。令，并为下一个周期准备数据通路的控制信号。在这一级，指令占有译码逻辑，不占用数据通在这一级，指令占有译码逻辑，不占用数据通路。路。（3 3）执行（）执行（excuteexcute）：处理指令并将结）：处理指令并将结果写回寄存器。果写回寄存器。1 13 3级流水线级流水线ARMARM组织组织 在在ARM9T

21、DMIARM9TDMI中使用了典型的中使用了典型的5 5级流水线，级流水线，5 5级流水线包括下面的流水线级。级流水线包括下面的流水线级。（1 1）取指令（）取指令（fetchfetch）：从存储器中取出）：从存储器中取出指令，并将其放入指令流水线。指令，并将其放入指令流水线。（2 2）译码（）译码（decodedecode）：指令被译码，从）：指令被译码，从寄存器堆中读取寄存器操作数。在寄存器堆中寄存器堆中读取寄存器操作数。在寄存器堆中有有3 3个操作数读端口，因此，大多数个操作数读端口，因此，大多数ARMARM指令能指令能在在1 1个周期内读取其操作数。个周期内读取其操作数。2 25 5级

22、流水线级流水线ARMARM组织组织 （3 3）执行（）执行（executeexecute）：将其中）：将其中1 1个操作个操作数移位，并在数移位，并在ALUALU中产生结果。如果指令是中产生结果。如果指令是LoadLoad或或StoreStore指令，则在指令，则在ALUALU中计算存储器的地中计算存储器的地址。址。（4 4）缓冲）缓冲/数据（数据（buffer/databuffer/data）：如果）：如果需要则访问数据存储器，否则需要则访问数据存储器，否则ALUALU只是简单地只是简单地缓冲缓冲1 1个时钟周期。个时钟周期。（5 5）回写（）回写（write-backwrite-back）

23、：将指令的结果）：将指令的结果回写到寄存器堆，包括任何从寄存器读出的数回写到寄存器堆，包括任何从寄存器读出的数据。据。在在ARM10ARM10中，将流水线的级数增加到中，将流水线的级数增加到6 6级，级，使系统的平均处理能力达到了使系统的平均处理能力达到了1.3DMIPS/MHz1.3DMIPS/MHz。3 36 6级流水线级流水线ARMARM组织组织图图图图2-4 62-4 6级级级级流水流水流水流水线线线线指令的指令的指令的指令的执执执执行行行行过过过过程程程程2.4.3 影响流水线性能的因素影响流水线性能的因素1 1互锁互锁2 2跳转指令跳转指令2.5 ARM2.5 ARM存储系统存储系

24、统 将某个分区或是设备挂载了以后才能使用，将某个分区或是设备挂载了以后才能使用，但是当计算机重新启动以后，又需要重新挂载，但是当计算机重新启动以后，又需要重新挂载，这个时候可以通过修改这个时候可以通过修改/etc/etc/fstabfstab文件实现开文件实现开机自动挂载文件系统。机自动挂载文件系统。ARMARM存储系统有非常灵活的体系结构，可存储系统有非常灵活的体系结构，可以适应不同的嵌入式应用系统的需要。以适应不同的嵌入式应用系统的需要。ARMARM存存储器系统可以使用简单的平板式地址映射机制储器系统可以使用简单的平板式地址映射机制（就像一些简单的单片机一样，地址空间的分（就像一些简单的单

25、片机一样，地址空间的分配方式是固定的，系统中各部分都使用物理地配方式是固定的，系统中各部分都使用物理地址），也可以使用其他技术提供功能更为强大址），也可以使用其他技术提供功能更为强大的存储系统。的存储系统。例如：例如：（1 1）系统可能提供多种类型的存储器件，）系统可能提供多种类型的存储器件，如如FlashFlash、ROMROM、SRAMSRAM等；等；（2 2）CacheCache技术；技术；（3 3）写缓存技术（）写缓存技术（write bufferswrite buffers）；）；（4 4）虚拟内存和）虚拟内存和I/OI/O地址映射技术。地址映射技术。大多数的系统通过下面的方法之一可

26、实大多数的系统通过下面的方法之一可实现对复杂存储系统的管理。现对复杂存储系统的管理。（1 1）使用）使用CacheCache，缩小处理器和存储系统，缩小处理器和存储系统速度差别，从而提高系统的整体性能。速度差别，从而提高系统的整体性能。（2 2）使用内存映射技术实现虚拟空间到）使用内存映射技术实现虚拟空间到物理空间的映射。物理空间的映射。（3 3）引入存储保护机制，增强系统的安）引入存储保护机制，增强系统的安全性。全性。（4 4）引入一些机制保证将）引入一些机制保证将I/OI/O操作映射成操作映射成内存操作后，各种内存操作后，各种I/OI/O操作能够得到正确的结操作能够得到正确的结果。果。（1

27、 1）内核级的寄存器。）内核级的寄存器。（2 2）芯片级的紧耦合存储器）芯片级的紧耦合存储器TCMTCM。（3 3）芯片级的片上）芯片级的片上CacheCache存储器的容量在存储器的容量在8 832KB32KB之间，访问时间大约为之间，访问时间大约为10ns10ns。（4 4）板卡级的）板卡级的DRAMDRAM。（5 5）外设级的后援存储器，通常是硬盘，）外设级的后援存储器，通常是硬盘，可能从几百可能从几百MBMB到几个到几个GBGB，访问时间为几十，访问时间为几十msms。2.5.1 协处理器（协处理器（CP15）ARMARM处理器支持处理器支持1616个协处理器。个协处理器。CP15CP

28、15，即通常所说的系统控制协处理器，即通常所说的系统控制协处理器（System Control System Control CoprocesssorCoprocesssor），它负责），它负责完成大部分的存储系统管理。完成大部分的存储系统管理。CP15CP15包含包含1616个个3232位寄存器，其编号为位寄存器，其编号为0 01515。CP15CP15中的寄存器可能是只读的，也可能中的寄存器可能是只读的，也可能是只写的，还有一些是可读可写的。是只写的，还有一些是可读可写的。2.5.2 存储管理单元（存储管理单元（MMU）在创建多任务嵌入式系统时，最好有一个在创建多任务嵌入式系统时，最好有一

29、个简单的方式来编写、装载及运行各自独立的任简单的方式来编写、装载及运行各自独立的任务。目前大多数的嵌入式系统不再使用自己定务。目前大多数的嵌入式系统不再使用自己定制的控制系统，而使用操作系统来简化这个过制的控制系统，而使用操作系统来简化这个过程。较高级的操作系统采用基于硬件的存储管程。较高级的操作系统采用基于硬件的存储管理单元（理单元（MMUMMU）来实现上述操作。）来实现上述操作。MMUMMU提供的一个关键服务是使各个任务作提供的一个关键服务是使各个任务作为各自独立的程序在其自己的私有存储空间中为各自独立的程序在其自己的私有存储空间中运行。在带运行。在带MMUMMU的操作系统控制下，运行的任

30、的操作系统控制下，运行的任务无须知道其他与之无关的任务的存储需求情务无须知道其他与之无关的任务的存储需求情况，这就简化了各个任务的设计。况，这就简化了各个任务的设计。MMUMMU提供了一些资源以允许使用虚拟存储提供了一些资源以允许使用虚拟存储器（将系统物理存储器重新编址，可将其看成器（将系统物理存储器重新编址，可将其看成一个独立于系统物理存储器的存储空间）。一个独立于系统物理存储器的存储空间）。MMUMMU作为转换器，将程序和数据的虚拟地址作为转换器，将程序和数据的虚拟地址（编译时的连接地址）转换成实际的物理地址，（编译时的连接地址）转换成实际的物理地址，即在物理主存中的地址。这个转换过程允许

31、运即在物理主存中的地址。这个转换过程允许运行的多个程序使用相同的虚拟地址，而各自存行的多个程序使用相同的虚拟地址，而各自存储在物理存储器的不同位置。储在物理存储器的不同位置。这样存储器就有两种类型的地址：虚拟地这样存储器就有两种类型的地址：虚拟地址和物理地址。址和物理地址。2.5.3 高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（Cache）CacheCache是一个容量小但存取速度非常快的是一个容量小但存取速度非常快的存储器，它保存最近用到的存储器数据副本。存储器，它保存最近用到的存储器数据副本。CacheCache经常与写缓存器（经常与写缓存器（write bufferwrite buffer）一起）一

32、起使用。使用。通过引入通过引入CacheCache和写缓存区，存储系统的和写缓存区，存储系统的性能得到了很大的提高，但同时也带来了一些性能得到了很大的提高，但同时也带来了一些问题。问题。2.6 2.6 异异 常常 ARMARM体系结构中，存在体系结构中，存在7 7种异常处理。当异种异常处理。当异常发生时，处理器会把常发生时，处理器会把PCPC设置为一个特定的存设置为一个特定的存储器地址。这一地址放在被称为向量表储器地址。这一地址放在被称为向量表（vector tablevector table）的特定地址范围内。向量表）的特定地址范围内。向量表的入口是一些跳转指令，跳转到专门处理某个的入口是一

33、些跳转指令，跳转到专门处理某个异常或中断的子程序。异常或中断的子程序。2.6.1 异常的种类异常的种类表表表表2-4 2-4 ARMARM的的的的7 7种异常种异常种异常种异常异 常 类 型处理器模式执行低地址执行高地址复位异常（Reset）特权模式0 x000000000 xFFFF0000未定义指令异常（Undefined interrupt）未定义指令中止模式0 x000000040 xFFFF0004软中断异常（Software Abort）特权模式0 x000000080 xFFFF0008预取异常（Prefetch Abort）数据访问中止模式0 x0000000C0 xFFFF0

34、00C数据异常（Data Abort）数据访问中止模式0 x000000100 xFFFF0010外部中断请求（IRQ）外部中断请求模式0 x000000180 xFFFF0018快速中断请求（FIQ）快速中断请求模式0 x0000001C0 xFFFF001C2.6.2 异常的优先级异常的优先级表表表表2-5 2-5 异常异常异常异常优优优优先先先先级级级级优 先 级异 常最高 1复位异常 2数据中止 3快速中断请求 4外部中断请求 5预取指令异常 6软中断最低 7未定义指令2.6.3 构建异常向量表构建异常向量表 当处理器的复位引脚有效时，系统产生复当处理器的复位引脚有效时，系统产生复位异

35、常中断，程序跳转到复位异常中断处理程位异常中断，程序跳转到复位异常中断处理程序处执行。复位异常中断通常用在下面两种情序处执行。复位异常中断通常用在下面两种情况下：况下：（1 1）系统上电；）系统上电；（2 2）系统复位。）系统复位。1 1复位异常复位异常图图图图2-6 2-6 异常异常异常异常处处处处理向量表理向量表理向量表理向量表 当当ARMARM处理器执行协处理器指令时，它必处理器执行协处理器指令时，它必须等待一个外部协处理器应答后，才能真正执须等待一个外部协处理器应答后，才能真正执行这条指令。若协处理器没有响应，则发生未行这条指令。若协处理器没有响应，则发生未定义指令异常。定义指令异常。

36、2 2未定义指令异常未定义指令异常 软中断（软中断（SWISWI）异常发生时，处理器进入）异常发生时，处理器进入特权模式，执行一些特权模式下的操作系统功特权模式，执行一些特权模式下的操作系统功能。能。3 3软中断软中断 预取指令异常是由系统存储器报告的。预取指令异常是由系统存储器报告的。当处理器试图去取一条被标记为预取无效的指当处理器试图去取一条被标记为预取无效的指令时，发生预取指令异常。令时，发生预取指令异常。如果系统中不包含如果系统中不包含MMUMMU时，指令预取异常时，指令预取异常中断处理程序只是简单地报告错误并退出。若中断处理程序只是简单地报告错误并退出。若包含包含MMUMMU，引起异

37、常的指令的物理地址被存储，引起异常的指令的物理地址被存储到内存中。到内存中。4 4预取指令异常预取指令异常 数据访问中止异常是由存储器发出数据中数据访问中止异常是由存储器发出数据中止信号，它由存储器访问指令止信号，它由存储器访问指令Load/StoreLoad/Store产生。产生。当数据访问指令的目标地址不存在或者该地址当数据访问指令的目标地址不存在或者该地址不允许当前指令访问时，处理器产生数据访问不允许当前指令访问时，处理器产生数据访问中止异常。中止异常。5 5数据访问中止异常数据访问中止异常 当处理器的外部中断请求（当处理器的外部中断请求（IRQIRQ）引脚有）引脚有效，而且效，而且CP

38、SRCPSR寄存器的寄存器的I I控制位被清除时，处控制位被清除时，处理器产生外部中断理器产生外部中断IRQIRQ异常。系统中各外部设异常。系统中各外部设备通常通过该异常中断请求处理器服务。备通常通过该异常中断请求处理器服务。6 6外部中断请求外部中断请求 当处理器的快速中断请求（当处理器的快速中断请求（FIQFIQ）引脚有）引脚有效且效且CPSRCPSR寄存器的寄存器的F F控制位被清除时，处理器控制位被清除时，处理器产生快速中断请求产生快速中断请求FIQFIQ异常。异常。7 7快速中断请求快速中断请求2.6.4 异常响应流程异常响应流程 当异常发生时，处理器自动切换到当异常发生时，处理器自

39、动切换到ARMARM状状态，所以在异常处理函数中要判断在异常发生态，所以在异常处理函数中要判断在异常发生前处理器是前处理器是ARMARM状态还是状态还是ThumbThumb状态。这可以通状态。这可以通过检测过检测SPSRSPSR的的T T位来判断。位来判断。1 1判断处理器状态判断处理器状态 通常情况下，只有在通常情况下，只有在SWISWI处理函数中才需处理函数中才需要知道异常发生前处理器的状态。所以在要知道异常发生前处理器的状态。所以在ThumbThumb状态下，调用状态下，调用SWISWI软中断异常必须注意以软中断异常必须注意以下两点。下两点。（1 1）发生异常的指令地址为）发生异常的指令

40、地址为(lr(lr 2)2)，而，而不是不是(lr(lr 4)4)。（2 2）ThumbThumb状态下的指令是状态下的指令是1616位的，在判位的，在判断中断向量信号时使用半字加载指令断中断向量信号时使用半字加载指令LDRHLDRH。前面介绍向量表时提到，每一个异常发生前面介绍向量表时提到，每一个异常发生时总是从异常向量表开始跳转。最简单的一种时总是从异常向量表开始跳转。最简单的一种情况是向量表里面的每一条指令直接跳向对应情况是向量表里面的每一条指令直接跳向对应的异常处理函数。其中快速中断处理函数的异常处理函数。其中快速中断处理函数FIQ_handlerFIQ_handler()()可以直接

41、从地址可以直接从地址0 x1C0 x1C处开始，省下一条跳转处开始，省下一条跳转指令，如图指令，如图2-72-7所示。所示。（1 1）MOV PCMOV PC，imme_valueimme_value （2 2）LDR PCLDR PC，PC+offsetPC+offset 2 2向量表向量表图图图图2-7 2-7 异常异常异常异常处处处处理向量表理向量表理向量表理向量表2.6.5 从异常处理程序中返回从异常处理程序中返回 当一个异常处理返回时，一共有当一个异常处理返回时，一共有3 3件事情件事情需要处理：通用寄存器的恢复、状态寄存器的需要处理：通用寄存器的恢复、状态寄存器的恢复及恢复及PCP

42、C指针的恢复。通用寄存器的恢复采用指针的恢复。通用寄存器的恢复采用一般的堆栈操作指令即可，下面重点介绍状态一般的堆栈操作指令即可，下面重点介绍状态寄存器的恢复及寄存器的恢复及PCPC指针的恢复。指针的恢复。PCPC和和CPSRCPSR的恢复可以通过一条指令来实现，的恢复可以通过一条指令来实现，下面是下面是3 3个例子。个例子。（1 1）MOVS PCMOVS PC，LRLR （2 2）SUBS PCSUBS PC，LRLR，4 4 （3 3）LDMFD SP!LDMFD SP!，PCPC1 1恢复被中断程序的处理器状态恢复被中断程序的处理器状态 异常返回时，另一个非常重要的问题就是异常返回时，

43、另一个非常重要的问题就是返回地址的确定。返回地址的确定。2 2异常的返回地址异常的返回地址图图图图2-8 32-8 3级级级级流水流水流水流水线线线线示例示例示例示例（1 1）软中断异常）软中断异常（2 2）IRQIRQ或或FIQFIQ异常异常（3 3）Data AbortData Abort数据中止异常数据中止异常表表表表2-6 2-6 异常和返回地址异常和返回地址异常和返回地址异常和返回地址异 常地 址用 途复位复位没有定义LR数据中止LR8指向导致数据中止异常的指令FIQLR4指向发生异常时正在执行的指令IRQLR4指向发生异常时正在执行的指令预取指令中止LR4指向导致预取指令异常的那条

44、指令SWILR执行SWI指令的下一条指令未定义指令LR指向未定义指令的下一条指令2.7 ARM2.7 ARM处理器的寻址方式处理器的寻址方式 ARMARM指令集可以分为跳转指令、数据处理指令集可以分为跳转指令、数据处理指令、程序状态寄存器传输指令、指令、程序状态寄存器传输指令、Load/StoreLoad/Store指令、协处理器指令和异常中断产生指令。根指令、协处理器指令和异常中断产生指令。根据使用的指令类型不同，指令的寻址方式分为据使用的指令类型不同，指令的寻址方式分为数据处理指令寻址方式和内存访问指令寻址方数据处理指令寻址方式和内存访问指令寻址方式。式。2.7.1 数据处理指令寻址方式数

45、据处理指令寻址方式 数据处理指令的基本语法格式如下：数据处理指令的基本语法格式如下：S S,其中，其中，有有1111种形式，种形式，如表如表2-72-7所示。所示。表表表表2-7 2-7 的的的的寻寻寻寻址方式址方式址方式址方式语 法寻 址 方 式1立即数寻址2寄存器寻址3,LSL#立即数逻辑左移4,LSL 寄存器逻辑左移5,LSR#立即数逻辑右移6,LSR 寄存器逻辑右移7,ASR#立即数算术右移8,ASR 寄存器算术右移9,ROR#立即数循环右移10,ROR 寄存器循环右移11,RRX寄存器扩展循环右移数据处理指令寻址方式可以分为以下几种。数据处理指令寻址方式可以分为以下几种。（1 1）立

46、即数寻址方式；）立即数寻址方式；（2 2）寄存器寻址方式；）寄存器寻址方式；（3 3）寄存器移位寻址方式）寄存器移位寻址方式 。指令中的立即数是由一个指令中的立即数是由一个8bit8bit的常数移动的常数移动4bit4bit偶数位（偶数位（0 0，2 2，4 4，2626，2828，3030）得）得到的。所以，每一条指令都包含一个到的。所以，每一条指令都包含一个8bit8bit的常的常数数X X和移位值和移位值Y Y，得到的立即数，得到的立即数=X X循环右移循环右移（2 2Y Y）。）。1 1立即数寻址方式立即数寻址方式 寄存器的值可以被直接用于数据操作指令寄存器的值可以被直接用于数据操作指

47、令，这种寻址方式是各类处理器经常采用的一种方这种寻址方式是各类处理器经常采用的一种方式式，也是一种执行效率较高的寻址方式也是一种执行效率较高的寻址方式，2 2寄存器寻址方式寄存器寻址方式 寄存器的值在被送到寄存器的值在被送到ALUALU之前，可以事先之前，可以事先经过桶形移位寄存器的处理。预处理和移位发经过桶形移位寄存器的处理。预处理和移位发生在同一周期内，所以有效地使用移位寄存器，生在同一周期内，所以有效地使用移位寄存器，可以增加代码的执行效率。可以增加代码的执行效率。3 3寄存器移位寻址方式寄存器移位寻址方式2.7.2 内存访问指令寻址方式内存访问指令寻址方式 内存访问指令的寻址方式可以分

48、为以下几内存访问指令的寻址方式可以分为以下几种。种。（1 1）字及无符号字节的）字及无符号字节的Load/StoreLoad/Store指令指令的寻址方式；的寻址方式；（2 2）杂类）杂类Load/StoreLoad/Store指令的寻址方式；指令的寻址方式；（3 3）批量）批量Load/StoreLoad/Store指令的寻址方式；指令的寻址方式；（4 4）协处理器）协处理器Load/StoreLoad/Store指令的寻址方指令的寻址方式。式。字及无符号字节的字及无符号字节的Load/StoreLoad/Store指令语法格指令语法格式如下：式如下：LDR|STRLDR|STRBT BT

49、,1 1字及无符号字节的字及无符号字节的Load/StoreLoad/Store指令的指令的寻址方式寻址方式表表表表2-8 2-8 字及无符合字字及无符合字字及无符合字字及无符合字节节节节的的的的Load/StoreLoad/Store指令的指令的指令的指令的寻寻寻寻址方式址方式址方式址方式格 式模 式1Rn，#立即数偏移寻址（Immediate offset）2Rn，Rm寄存器偏移寻址（Register offset）3Rn，Rm，#带移位的寄存器偏移寻址（Scaled register offset）4Rn，#!立即数前索引寻址（Immediate pre-indexed）5Rn，Rm!寄

50、存器前索引寻址（Register post-indexed）6Rn，Rm，#!带移位的寄存器前索引寻址（Scaled register pre-indexed）格 式模 式7Rn，#立即数后索引寻址（Immediate post-indeded）8Rn，寄存器后索引寻址（Register post-indexed）9Rn，#带移位的寄存器后索引寻址（Scaled register post-indexed）使用该类寻址方式的指令的语法格式如下：使用该类寻址方式的指令的语法格式如下：LDR|STRLDR|STRH|SH|SB|D H|SH|SB|D ,2 2杂类杂类Load/StoreLoad/