ARM普通处理器内核.ppt

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1、ARM普通处理器内核普通处理器内核12021/2/22ARM7TDMI 内核内核乘法器乘法器指令指令解码解码地址地址自增器自增器nRESETnMREQSEQABORTnIRQnFIQnRWMAS1:0LOCKnCPICPACPBnWAITMCLKnOPCBIGENDISYNCnTRANSnM4:0D31:0桶形桶形移位器移位器32 位位 ALU写数据写数据 寄存器寄存器读数据读数据 寄存器寄存器地址寄存器地址寄存器寄存器寄存器A31:0及及控制控制 逻辑逻辑PC Update解码器解码器指令指令 解码解码IncrementerPCABusBBusALUBusn用户形式用户形式usrusr：AR

2、MARM处理器正常的一般用户程序执行状态处理器正常的一般用户程序执行状态n快速中断形式快速中断形式fiqfiq：用于高速数据传输或通道处理：用于高速数据传输或通道处理n外部中断形式外部中断形式irqirq：用于通常的中断处理：用于通常的中断处理n管理形式管理形式svcsvc：操作系统使用的保护形式。系统复位后：操作系统使用的保护形式。系统复位后 ，即进入该形式，即进入该形式n指令终止形式指令终止形式(abt)(abt)：当数据或指令预取失效后进入该形式：当数据或指令预取失效后进入该形式n未定义形式未定义形式(und)(und)：执行未定义的指令时进入该形式：执行未定义的指令时进入该形式n系统形

3、式系统形式syssys：运行具有特权的操作系统任务，如嵌套：运行具有特权的操作系统任务，如嵌套的中断的中断ARM处理器形式处理器形式ARM存放器存放器n37 存放器存放器n31 个个通用通用32位存放器，包括程序位存放器，包括程序计计数数器器PCn6 个状个状态态存放器存放器n通用存放器包括通用存放器包括R0R15，可以分，可以分为为三三类类：n 未分未分组组存放器存放器R0R7n 分分组组存放器存放器R8R14n 程序程序计计数数器器PC(R15)n状状态态存放器：存放器：n CPSR(Current Program Status Register，当当前程序前程序状状态态存放器存放器)n

4、SPSR(Saved Program Status Register，备备份份程序程序状状态态存放器存放器ARM存放器存放器注注:表中用户或系统形式使用的正常存放器已经被异常形式指定的另一个存放表中用户或系统形式使用的正常存放器已经被异常形式指定的另一个存放器取代器取代,R15(PC)只有一个只有一个!程序状态保存存放器程序状态保存存放器程序状态保存存放器程序状态保存存放器标志位标志位含含 义义 N当用两个补码表示的带符号数进行运算时，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；表示运算的结果为负数；N=0 表示运算的结果为正数或零；表示运算的结果为正数或零；ZZ=1

5、表示运算的结果为零；表示运算的结果为零；Z=0表示运算的结果为非零。表示运算的结果为非零。C可以有可以有4种方法设置种方法设置C的值：的值：加法运算（包括比较指令加法运算（包括比较指令CMN）：当运算结果产生了进位时（无符号数溢）：当运算结果产生了进位时（无符号数溢出），出），C=1，否则，否则C=0。减法运算（包括比较指令减法运算（包括比较指令CMP）：当运算时产生了借位（无符号数溢出），）：当运算时产生了借位（无符号数溢出），C=0，否则，否则C=1。对于包含移位操作的非加对于包含移位操作的非加/减运算指令，减运算指令，C为移出值的最后一位。为移出值的最后一位。对于其他的非加对于其他的非加

6、/减运算指令，减运算指令，C的值通常不改变。的值通常不改变。V可以有可以有2种方法设置种方法设置V的值：的值：对于加对于加/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，时，V=1表示符号位溢出。表示符号位溢出。对于其他的非加对于其他的非加/减运算指令，减运算指令，V的值通常不改变。的值通常不改变。程序状态保存存放器程序状态保存存放器n中断制止位中断制止位I：I=1 制止制止IRQ中断中断;n 中断制止位中断制止位F：F=1 制止制止FIQ中断。中断。nT标志位：该位反映处理器的运行状态标志位：该位反映处理器的运行状

7、态 ARM 状态或者状态或者Thumb状态。状态。n运行形式位运行形式位M4：0：M0、M1、M2、M3、M4是形式位。这些位决定了处理器的运行形式。是形式位。这些位决定了处理器的运行形式。程序状态保存存放器程序状态保存存放器M4：0处理器模式可访问的寄存器0b10000用户模式PC，CPSR,R0-R140b10001FIQ模式PC，CPSR,SPSR_fiq，R14_fiq-R8_fiq,R7R00b10010IRQ模式PC，CPSR,SPSR_irq，R14_irq,R13_irq,R12R00b10011管理模式PC，CPSR,SPSR_svc，R14_svc,R13_svc,R12R

8、0,0b10111中止模式PC，CPSR,SPSR_abt，R14_abt,R13_abt,R12R0,0b11011未定义模式PC，CPSR,SPSR_und，R14_und,R13_und,R12R0,0b11111系统模式PC，CPSR（ARM v4及以上版本）,R14R0ARM指令系统指令系统nARM 指令集所有的指令都可以被有条件的执行，简指令集所有的指令都可以被有条件的执行，简称条件执行。在以往的微控制器中，只有条件转移指称条件执行。在以往的微控制器中，只有条件转移指令或位测试和设置一类的指令是条件指令。但是在令或位测试和设置一类的指令是条件指令。但是在ARM 指令集中，操作码的最

9、高四位与指令集中，操作码的最高四位与CPSR 中的条中的条件码进展比较，假如它们彼此不匹配，指令将不被执件码进展比较，假如它们彼此不匹配，指令将不被执行，而是以行，而是以NOP 指令无操作通过流水线。但是指令无操作通过流水线。但是在在Thumb状态下，仅有分支指令是有条件执行的。状态下，仅有分支指令是有条件执行的。n正因为如此，可能会由于执行一条影响了正因为如此，可能会由于执行一条影响了CPSR 中条中条件码的数据处理指令，下一条指令就会或不会被执行。件码的数据处理指令，下一条指令就会或不会被执行。一般的汇编指令，如一般的汇编指令，如MOV 或或ADD，可被预置，可被预置16 个条个条件助记符

10、，它们定义了被测试的条件码状态：件助记符，它们定义了被测试的条件码状态：ARM指令系统指令系统条件码助记符后缀标 志含 义0EQZ置位相等1NEZ清零不相等10CSC置位无符号数大于或等于11CCC清零无符号数小于100MIN置位负数101PLN清零正数或零110VSV置位溢出111VCV清零未溢出1000HIC置位Z清零无符号数大于1001LSC清零Z置位无符号数小于或等于1010GEN等于V带符号数大于或等于1011LTN不等于V带符号数小于1100GTZ清零且（N等于V）带符号数大于1101LEZ置位或（N不等于V）带符号数小于或等于1110AL 忽略无条件执行NV 该指令从不执行 AR

11、M V3 之前未定义 该指令执行结果不可预知 ARM V3 及ARM V4AL 该指令无条件执行 ARM V5即以上版本 ARM指令编码格式指令编码格式n说明说明nCondn指令执行的条件编码指令执行的条件编码nOpcoden指令操作符编码指令操作符编码nSn决定指令的操作是否影响决定指令的操作是否影响CPSR的值的值nRdn操作目的存放器编码操作目的存放器编码nRnn包含第一操作数的存放器编码包含第一操作数的存放器编码nShifter_operandn表示第二操作数表示第二操作数 31 28 27 25 24 21 20 19 16 15 12 11 8 7 0cond001opcodesR

12、nRdShifter_operandARM指令的寻址方式指令的寻址方式立即寻址立即寻址 ADDR0，R0，1；R0R01 寄存器寻址寄存器寻址 ADDR0，R1，R2；R0R1R2寄存器间接寻址寄存器间接寻址 ADD R0，R1，R2；R0R1R2基址变址寻址基址变址寻址 LDR R0，R1，4；R0R14多寄存器寻址多寄存器寻址 LDMIA R0，R1，R2，R3，R4；R1R0；R2R04；R3R08；R4R012相对寻址相对寻址BLNEXT 堆栈寻址堆栈寻址 满递增堆栈：堆栈指针指向最后压入的数据，且由低地址向高地址生成。满递增堆栈：堆栈指针指向最后压入的数据，且由低地址向高地址生成。满

13、递减堆栈：堆栈指针指向最后压入的数据，且由高地址向低地址生成。满递减堆栈：堆栈指针指向最后压入的数据，且由高地址向低地址生成。空递增堆栈：堆栈指针指向下一个将要放入数据的空位置，且由低地址向空递增堆栈：堆栈指针指向下一个将要放入数据的空位置，且由低地址向 高地址生成。高地址生成。空递减堆栈：堆栈指针指向下一个将要放入数据的空位置，且由高地址向空递减堆栈：堆栈指针指向下一个将要放入数据的空位置，且由高地址向 低地址生成。低地址生成。以程序计数器PC的当前值为基地址，指令中地址标号为偏移量，相加得有效地址ARM指令的寻址方式指令的寻址方式数据处理指令的寻址方式数据处理指令的寻址方式MOV R0,#

14、0 xFC0 ;R0#0 xFC0 MOV R3,R2 ;R3 R2,LSL MOV R0,R0,LSL#n ;R0=R0*(2*n),LSL MOV R0,R0,LSL R4 ;R0=R0*(2*R4),LSR MOV R0,R0,LSR#n,LSR MOV R0,R0,LSR R4,ASR MOV R0,R0,ASR#n,ASR MOV R0,R0,ASR R4,ROR MOV R0,R0,ROR#n,ROR MOV R0,R0,ROR R4,RRXMOV R0,R0,RRX R4扩展的循环右移，移出位用C代替移位位数由Rs存放器的低8位确定每个立即数由一个8位的常数右移偶数位得到ARM指

15、令的寻址方式指令的寻址方式Load/Store指令的寻址方式指令的寻址方式,#+/-LDR R0,R1,#4 ;R0R1+4,+/-LDR R0,R1,R2 ;R0R1+R2,+/-,#LDR R0,R1,R2,LSL#2 ;R0R1+R2*(2*2),#+/-!LDR R0,R1,#4!;R0R1+4 ;R1=R1+4,+/-!LDR R0,R1,R2!;R0R1+R2 ;R1=R1+R2,+/-,#!LDR R0,R1,R2,LSL#2!;R0R1+R2*(2*2);R1=R1+R2*(2*2),#+/-LDR R0,R1,#4 ;R0R1 ;R1=R1+4,+/-LDR R0,R1,R2

16、 ;R0R1 ;R1=R1+R2,+/-,#LDR R0,R1,R2,LSL#2 ;R0R1 ;R1=R1+R2*(2*2)事先访问方式(+i)事后访问方式(i+)偏移量ARM指令系统指令系统nARM7 可以被设计成大端big-endian或者小端little-endian处理器，即MSB 位于最高位或者最低位。用户必须确保他们设置了正确的存储格式，否那么代码或数据就会颠倒。上下 低高高高 低低ARM指令系统指令系统nARM 指令集可以分为十类：n 1 跳转指令n 2 数据处理指令n 3 乘法指令与乘加指令n 4 程序状态存放器访问指令 n 5 加载/存储指令 n 6 批量数据加载/存储指令n

17、 7 数据交换指令n 8 移位指令n 9 异常指令n 10 协处理器指令ARM指令系统指令系统(跳转指令)跳转指令用于实现程序流程的跳转，在跳转指令用于实现程序流程的跳转，在ARM程序中程序中有两种方法可以实现程序流程的跳转：有两种方法可以实现程序流程的跳转：1 使用专门的跳转指令。使用专门的跳转指令。2 直接向程序计数器直接向程序计数器PC写入跳转地址值。写入跳转地址值。ARM指令集中的跳转指令可以完成从当前指令向前指令集中的跳转指令可以完成从当前指令向前或向后的或向后的32MB的地址空间的跳转，包括以下的地址空间的跳转，包括以下4条指条指令：令：B跳转指令跳转指令 BL带返回的跳转指令带返

18、回的跳转指令BLX带返回和状态切换的跳转指令带返回和状态切换的跳转指令BX带状态切换的跳转指令带状态切换的跳转指令ARM指令系统指令系统(数据处理数据处理)数据处理指令包括：MOV数据传送指令MVN数据取反传送指令CMP比较指令CMN反值比较指令TST位测试指令TEQ相等测试指令ADD加法指令ADC带进位加法指令SUB减法指令SBC带借位减法指令RSB逆向减法指令RSC带借位的逆向减法指令AND逻辑与指令ORR逻辑或指令EOR逻辑异或指令BIC位去除指令RSB R1,R2,R3;R1R3-R2ARM指令系统指令系统(乘法指令与乘加指令乘法指令与乘加指令)乘法指令与乘加指令共有以下6条：MUL3

19、2位乘法指令MLA32位乘加指令SMULL64位有符号数乘法指令SMLAL64位有符号数乘加指令UMULL64位无符号数乘法指令UMLAL64位无符号数乘加指令ARM指令系统指令系统(程序状态存放器访问指令程序状态存放器访问指令)nARM微处理器支持程序状态存放器访问指令，微处理器支持程序状态存放器访问指令，用于在程序状态存放器和通用存放器之间传用于在程序状态存放器和通用存放器之间传送数据，程序状态存放器访问指令包括以下送数据，程序状态存放器访问指令包括以下两条：两条：nMRS 程序状态存放器到通用存程序状态存放器到通用存放器的数据传送指令放器的数据传送指令n MSR 通用存放器到程序状态存通

20、用存放器到程序状态存放器的数据传送指令放器的数据传送指令ARM指令系统指令系统(加载加载/存储指令存储指令)n常用的加载存储指令如下：常用的加载存储指令如下：LDR 字数据加载指令字数据加载指令 LDRB 字节数据加载指令字节数据加载指令 LDRH 半字数据加载指令半字数据加载指令 STR 字数据存储指令字数据存储指令 STRB 字节数据存储指令字节数据存储指令 STRH 半字数据存储指令半字数据存储指令ARM指令系统指令系统由内存到存放器的读取由存放器到内存的保存nARM微处理器所支持批量数据加载微处理器所支持批量数据加载/存储指令存储指令可以一次在一片连续的存储器单元和多个存可以一次在一片

21、连续的存储器单元和多个存放器之间传送数据，批量加载指令用于将一放器之间传送数据，批量加载指令用于将一片连续的存储器中的数据传送到多个存放器，片连续的存储器中的数据传送到多个存放器，批量数据存储指令那么完成相反的操作。常批量数据存储指令那么完成相反的操作。常用的加载存储指令如下：用的加载存储指令如下：nLDM批量数据加载指令批量数据加载指令n STM批量数据存储指令批量数据存储指令ARM指令系统指令系统(批量数据加载/存储指令)nARM微处理器所支持数据交换指令能在存储微处理器所支持数据交换指令能在存储器和存放器之间交换数据。数据交换指令有器和存放器之间交换数据。数据交换指令有如下两条：如下两条

22、：n SWP 字数据交换指令字数据交换指令n SWPB 字节数据交换指令字节数据交换指令ARM指令系统指令系统(数据交换指令)ARM指令系统指令系统(移位指令)n移位操作包括如下移位操作包括如下6种类型，种类型，ASL和和LSL是等价的，是等价的，可以自由互换：可以自由互换：LSL 逻辑左移逻辑左移 ASL 算术左移算术左移 LSR 逻辑右移逻辑右移 ASR 算术右移算术右移 ROR 循环右移循环右移 RRX 带扩展的循环右移带扩展的循环右移ARM指令系统指令系统(异常指令异常指令)nARM微处理器所支持的异常指令有如下两条：微处理器所支持的异常指令有如下两条：SWI 软件中断指令软件中断指令

23、 BKPT 断点中断指令断点中断指令ARM指令系统指令系统(协处理器指令)nARM协处理器指令包括以下协处理器指令包括以下5条：条：n CDP 协处理器数操作指令协处理器数操作指令n LDC协处理器数据加载指令协处理器数据加载指令n STC协处理器数据存储指令协处理器数据存储指令n MCR ARM处理器存放器到协处理器存放器的数处理器存放器到协处理器存放器的数 据传送指令据传送指令n MRC 协处理器存放器到协处理器存放器到ARM处理器存放器的数处理器存放器的数据传送指令据传送指令ARM中断与异常中断与异常中断名称含义复位复位系统加电，系统复位系统加电，系统复位未定义指令未定义指令当当ARM处

24、理器或者协处理认为当前指令未定义处理器或者协处理认为当前指令未定义软件中断软件中断用户定义的中断指令，可用于用户模式下程序调用特权操用户定义的中断指令，可用于用户模式下程序调用特权操作指令。在作指令。在RTOS中可以通过该机制实现系统功能调用中可以通过该机制实现系统功能调用指令预取中止指令预取中止处理器预取指令地址不存在，或者该地址不允许当前指令处理器预取指令地址不存在，或者该地址不允许当前指令访问访问数据访问中止数据访问中止数据访问指令目标地址不存在，或者该地址不允许当前指数据访问指令目标地址不存在，或者该地址不允许当前指令访问令访问外部中断请求外部中断请求处理器的外部中断请求有效处理器的外

25、部中断请求有效快速中断请求快速中断请求处理器的外部快速请求中断有效处理器的外部快速请求中断有效ARM中断与异常中断与异常异常类型异常类型向量地址向量地址优先级优先级复位复位0 x000000001未定义的指令未定义的指令0 x000000046软件中断软件中断0 x000000086指令预取中止指令预取中止0 x0000000C5数据访问中止数据访问中止0 x000000102保留保留0 x00000014未使用未使用外部中断请求外部中断请求0 x000000184快速中断请求快速中断请求0 x0000001C3续表：续表：ARM中断与异常中断与异常当一个异常发生时，当一个异常发生时，ARM处

26、理器按照如下步骤操作：处理器按照如下步骤操作：1保存处理器当前状态、中断屏蔽位以及保存处理器当前状态、中断屏蔽位以及各条件标志位。通过将各条件标志位。通过将CPSR中的内容复制到中的内容复制到SPSR中来实现。中来实现。2设置当前状态存放器设置当前状态存放器CPSR中相应的位。中相应的位。3将存放器将存放器LR_mode设置成返回地址。设置成返回地址。4将程序计数值将程序计数值PC设置成该异常中断的中设置成该异常中断的中断向量地址，从而跳转到相应的异常中断处理程断向量地址，从而跳转到相应的异常中断处理程序处执行。序处执行。ARM中断与异常中断与异常从异常中断处理程序中返回：从异常中断处理程序中

27、返回：1恢复被中断的程序的处理器状态，即将恢复被中断的程序的处理器状态，即将SPSR_mode存放器的内容复制到当前程序状态存放器存放器的内容复制到当前程序状态存放器CPSR中中2返回发生异常中断的指令的下一条指令处执行，返回发生异常中断的指令的下一条指令处执行，即将即将LR_mode存放器的内容赋值程序计数器存放器的内容赋值程序计数器PC中中注意：注意：1复位异常中断处理程序不需要返回复位异常中断处理程序不需要返回 2当异常处理程序发生时，程序计数器当异常处理程序发生时，程序计数器PC所指所指的位置对于不同的异常中断是不同的的位置对于不同的异常中断是不同的ARM中断与异常中断与异常返回指令以

28、前的状态注意ARM R14_xThumb R14_xSWIMOVS PC，R14_svcPC4PC21UDEFMOVS PC，R14_undPC4PC21FIQSUBS PC，R14_fiq，4PC4PC42IRQSUBS PC，R14_irq，4PC4PC42PABTSUBS PC，R14_abt，4PC4PC41DABTSUBS PC，R14_abt，8PC8PC83RESETNA41，在此，在此PC应是具有预取中止的应是具有预取中止的BL/SWI/未定义指令所取的地址。未定义指令所取的地址。2，在此，在此PC是从是从FIQ或或IRQ获得不能执行的指令的地址。获得不能执行的指令的地址。3，在此，在此PC是产生数据中止的加载或存储指令的地址。是产生数据中止的加载或存储指令的地址。4，系统复位时，保存在，系统复位时，保存在R14_svc中的值时不可预知的。中的值时不可预知的。