ARM體系結構

arm是 advanced risc machines ( 高階精簡指令系統處理器) 的縮寫，是arm公司提供的一種微處理器智財權( ip) 核

arm既可以認為是乙個公司的名字，也可以認為是對一類微處理器的通稱，還可以認為是一種技術的名字

arm微處理器的特點

1、體積小、低功耗、低成本、高效能

2、支援thumb (16位) / arm (32位) 雙指令集，能很好的相容8位/16位器件

3、大量使用暫存器，指令執行速度更快

4、大多數資料操作都在暫存器中完成

5、定址方式靈活簡單、執行效率高

6、指令長度固定

arm7系列：

屬低端arm處理器核，最適合用於對價位和功能消耗要求較高的消費類應用

主要應用領域為：工業控制、網路和數據機裝置、移動**等多種多**和嵌入式應用

dsp: digital signal processor

命名解釋：

arm7dmi：t表示支援16位壓縮指令集 (thumb)，d表示支援片上除錯 (debug)，m表示內嵌硬體乘法器 (multiplier)，i 表示嵌入式ice（**器)，支援片上斷點和調試點 ( in - circuit emulater )

arm7系列處理器特點：

1、具有嵌入式ice邏輯，除錯開發方便

2、功耗極低，適合可攜式產品開發

3、3級流水線結構

4、支援thumb

5、支援多種作業系統

6、指令與arm9、arm10系列相容，便於公升級

3級流水線 (pipeline) 的執行過程

取指：從儲存器裝載指令

解碼：對剛裝載的指令進行識別

執行：處理指令並把結果寫回相應的暫存器

arm9系列處理器特點：

在高效能和低功耗特性方面提供最佳的效能

主要應用於無線裝置、儀器儀表、安全系統、機頂盒、高階印表機、數位相機和數字攝像機

arm9有5級流水線：fetch、decode、execute、memory、write

arm 與 thumb

1、thumb指令是arm指令的自給

2、可以相互呼叫，只要遵循一定的呼叫規則

3、thumb指令與arm指令時間效率和空間效率關係：儲存空間是arm**的60% ~ 70%，指令數比arm**多約30% ~ 40%，儲存器為32位時arm**比thumb**快約 40%，儲存器為16位時thumb比arm**快約40 ~ 50%，使用thumb**，儲存器的功耗會降低約30%

狀態切換：

arm 與 thumb之間的狀態的切換不影響處理器模式或暫存器的內容

arm指令集和thumb都有相應的切換命令

切換方法：

進入thumb狀態：運算元暫存器rm的狀態位 bit [0] 為1，執行 bx rm

進入arm狀態：運算元暫存器rm的狀態位 bit [0] 為0，執行 bx rm

在開始執行開罵時，應該處於arm狀態

arm微處理器的儲存器格式：

1、支援最大定址空間為4gb

2、arm體系結構將儲存器看作是從零位址開始的位元組的線性組合

3、arm體系結構可以用兩種方法儲存字資料：大端和小端格式

大端（big-endian): 低位元組存放在高位址中

小端（little-endian): 高位元組存放在高位址中

arm處理器工作模式

1、usr模式：正常使用者模式、程式正常執行模式

2、fiq模式(fast interrupt request )：處理快速中斷，支援高速資料傳送或通道處理

3、iru模式：處理普通中斷

4、svc模式：( supervisor) ：作業系統保護模式，處理軟體中斷

5、abt 中止：(abort mode) ：處理儲存器故障，實現虛擬儲存器和儲存器保護

6、und未定義：(undefined)：處理未定義的指令陷阱，支援硬體協處理器的軟體**

7、sys系統模式（基本上=usr）

arm暫存器組成：

31個通用暫存器：r0 ~ r15 (pc)、 r13_svc，r14_svc，r13_abt，r14_abt，r13_und，r14_und，r13_irq，r14_irq，r8_frq ~ r14_frq，

6個狀態暫存器：cpsr、spsr_svc、spsr_abt、spsr_und、spsr_irq、spsr_frq

arm狀態下的暫存器組織

r0 ~ r7 是普通工作暫存器

r8 ~ r12用於對場景資訊的保留

r13常用作堆疊指標

r14作為子程式連線暫存器

r15是程式計數器

cpsr (當前程式狀態暫存器)

spsr (備份的程式狀態暫存器)

程式狀態暫存器圖如下：

n、z、c、v為標誌位

n標誌位：當用兩個補碼表示的帶符號數進行運算時，n=1代表運算的結果為負數,n=0表示的結果是正數或0

z標誌位：z=1表示運算的結果為0，z=0表示運算的結果為非0

v標誌位：加 / 減法運算指令，v=1表示符號位的溢位，對於其它非加 / 減運算指令，v的值通常不變

c標誌位：加法運算結果進製時，c=1，減法運算借位時，c=0，移位操作的非加 / 減法運算指令，c為移出的最後一位，其它的非加 / 減運算指令，c的值通常不變

i、f、t 和 m [4:0] 稱為控制位，發生異常時這些位可以被改變

中斷禁止位 i、f：i=1，禁止irq中斷，f=1，禁止fiq中斷

t標誌位反映處理器的執行狀態，t=1，執行 thumb狀態， t=0，執行 arm狀態

arm體系結構所支援的異常型別：

1、復位：復位電平有效時，產生復位異常，程式跳轉到復位處理程式處執行

2、未定義指令：遇到不能處理的指令，定義未定義指令異常

3、軟體中斷：執行swi指令產生，用於使用者模式下的程式呼叫特權操作指令（使用者模式 -> 特權模式）

4、指令預取中止：處理器預取指令的位址不存在，或該位址不允許當前指令訪問，產生指令預取中止異常

5、資料中止：處理器資料訪問指令的位址不存在，或該位址不允許當前指令訪問，產生資料中止異常

6、irq：外部中斷請求有效，且cpsr中的 i 位為0時，產生 irq 異常

7、fiq：快速中斷請求引腳有效，且cpsr中的 f位為0時，產生 fiq異常

arm體系中的中斷如下圖：

0x00000014作為預留使用

異常執行的一段**通常為

sub lr,lr,#4 ; fiq、irq的中斷處理

stmfd sp!,

......

ldmfd sp!,^

對異常的相應：

1、將下一條指令的位址存入相應連線暫存器 lr，以便程式在處理異常返回時能從正確的位置重新開始執行，若是從arm狀態進入，lr暫存器中儲存的是下一條指令的位址（當前 pc+4或 pc+8），與異常的型別有關

2、將cpsr複製到相應的 spsr中

3、根據異常型別，強制設定cpsr的執行模式位

4、強制pc從相關的異常向量位址取下一條指令執行，從而跳轉到相應的異常處理程式處

還可以設定中斷禁止位，以禁止中斷發生，如果異常發生時，處理器處於thumb狀態，則從異常向量加載入pc時，處理器自動切換到arm狀態

異常處理完畢後，arm微處理器會執行以下幾步從異常返回：

1、將連線暫存器 lr的值減去相應的偏移量後送到pc中

2、將spsr複製回cpsr中

3、若在進入異常處理時設定了中斷禁止位，要在此清除

可以認為應用程式總是從復位異常處理程式開始執行的，因為復位異常處理程式不需要返回

應用程式中的異常處理：

當系統執行時，異常可能隨時發生，進行異常處理，採用的方式是異常向量表中的特定位置放置一條跳轉指令，跳轉到異常處理程式，當arm處理器發生異常時，程式計數器pc會強制設定為對應的異常向量，從而跳轉到處理程式，當異常處理完成後，返回到主程式繼續執行

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