第三讲ARM技术基础

第三讲ARM技术基础ARM技术基础ARM处理器工作状态ARM处理器工作模式ARM寄存器组成ARM的异常中断ARM组织结构简介ARM存储器接口及存储器层次ARM协处理器ARM片上总线AMBA基于JTAG的ARM系统调试ARM处理器工作状态自从ARM7TDMI核以后，体系结构中具有T变种的ARM处理器核可以工作在以下两种状态：ARM状态32位，ARM状态下执行字对准的32位ARM指令；Thumb状态16位，Thumb状态下执行半字对准的16位Thumb指令。在Thumb状态下，程序计数器PC使用位1选择另一个半字。ARM处理器工作状态ARM处理器在两种工作状态之间切换方法为进入Thumb状态:当操作数寄存器Rm的状态位bit［0］为1时，执行BXRm指令进入Thumb状态所有的异常都是再ARM状态下进行，如果处理器在Thumb状态进入异常，则当异常处理（IRQ，FIQ，Undef，Abort和SWI）返回时，自动切换到Thumb状态。ARM处理器工作状态进入ARM状态:当操作数寄存器Rm的状态位bit［0］为0时，执行BXRm指令进入ARM状态。如果处理器进行异常处理（IRQ，FIQ，Undef，Abort和SWI），在此情况下，把PC放入异常模式链接寄存器LR中，从异常向量地址开始执行也可以进入ARM状态。ARM处理器工作状态在程序执行的过程中，处理器可以在两种状态下切换。需要强调的是：ARM和Thumb之间状态的切换不影响处理器的模式或寄存器的内容。ARM指令集和Thumb指令集都有相应的状态切换命令。ARM处理器在开始执行代码时，只能处于ARM状态。ARM技术基础ARM处理器工作状态ARM处理器工作模式ARM寄存器组成ARM的异常中断ARM组织结构简介ARM存储器接口及存储器层次ARM协处理器ARM片上总线AMBA基于JTAG的ARM系统调试ARM处理器工作模式ARM处理器共支持所列的7种处理器模式见下表表2-2中给出了CPSR［4：0］与七种工作模式的关系以及各种模式的解释。CPSR［4：0］模式用途可访问的寄存器10000用户正常用户模式，程序正常执行模式PC，R14~R0，CPSR10001FIQ处理快速中断,支持高速数据传送或通道处理PC，R14_fiq~R8_fiq，R7~R0，CPSR，SPSR_fiq10010IRQ处理普通中断PC，R14_irq~R13_fiq，R12~R0，CPSR，SPSR_irq10011SVC操作系统保护模式处理软件中断（SWI）PC，R14_svc~R13_svc，R12~R0，CPSR，SPSR_svc10111中止处理存储器故障、实现虚拟存储器和存储器保护PC，R14_abt~R13_abt，R12~R0，CPSR，SPSR_abt11011未定义处理未定义的指令陷阱，支持硬件协处理器的软件仿真PC，R14_und~R13_und，R12~R0，CPSR，SPSR_und11111系统运行特权操作系统任务PC，R14~R0，CPSRARM处理器工作模式在软件控制、外部中断或异常处理下可以引起处理器工作模式的改变。大多数的用户程序是运行在用户模式下，这时应用程序不能够访问一些受操作系统保护的系统资源，也不能改变模式。应用程序也不能直接进行处理器模式的切换，除非异常（exception）发生，这允许操作系统来控制系统资源的使用，适当编写操作系统可以来控制系统资源的使用。ARM处理器工作模式除用户模式外的其他6种模式称为特权模式。特权操作模式主要处理异常和监控调用（有时称为软件中断），它们可以自由的访问系统资源和改变模式。特权模式中除系统模式以外的5种模式又称为异常模式，特权模式由异常模式和系统模式组成ARM处理器工作模式异常模式主要用于处理中断和异常，当应用程序发生异常中断时，处理器进入相应的异常模式。在每一种异常模式中都有某些附加的影子（shadow）寄存器组（详细可参见2.6节），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（保存了程序运行状态）不被破坏，以避免异常出现时用户模式的状态不可靠。ARM处理器工作模式而系统模式仅在ARM体系结构V4以及以上的版本存在，系统模式不是通过异常过程进入的，它与用户模式有完全相同的寄存器，这样操作系统的任务可以访问所有需要的系统资源，也可以使用用户模式的寄存器组，但不使用异常模式下相应的寄存器组，因此避免使用与异常模式有关的附加寄存器，进而确保当任何异常出现时，都不会使任务的状态不可靠或被破坏。系统模式属于特权模式，因此不受用户模式的限制。ARM技术基础ARM处理器工作状态ARM处理器工作模式ARM寄存器组成ARM的异常中断ARM组织结构简介ARM存储器接口及存储器层次ARM协处理器ARM片上总线AMBA基于JTAG的ARM系统调试ARM寄存器组成ARM寄存器组成概述ARM状态下的寄存器组织Thumb状态下的寄存器组织ARM寄存器组成概述ARM处理器总共有37个寄存器，这37个寄存器按它在用户编程中的功能划分，可以分为以下两类寄存器31个通用寄存器在这31个通用寄存器中包括了程序计数器（PC）,这些寄存器都是32位的。6个状态寄存器。31个通用寄存器R0～R15；R13_svc、R14_svc；R13_abt、R14_abt；R13_und、R14_und；R13_irq、R14_irq；R8_frq-R14_frq。6个状态寄存器CPSR；SPSR_svc、SPSR_abt、SPSR_und、SPSR_irq和SPSR_fiq。6个状态寄存器也是32位的，但目前只使用了其中的12位ARM寄存器组成概述这些寄存器并不是在同一时间全都可以被编程者看到或访问的。处理器工作状态和工作模式共同决定了程序员可以访问的寄存器。如前所述，ARM处理器共有7种不同的处理器模式和两种工作状态，也就是说ARM处理器在每个时刻只能工作在七种模式中的任何一种和ARM、Thumb状态中一种因此程序员可以操作的寄存器因工作状态和工作模式不同而不同。ARM状态下的寄存器组织一．ARM状态的寄存器简介二．ARM状态的通用寄存器三．ARM程序状态寄存器ARM状态的寄存器简介R0R1R2R3R4R5R6R7R8R9R10R11R12R15(PC)通用寄存器和程序计数器状态寄存器R14(LR)R14-svcR14-abtR14-undR14-irqR14-fiqCPSR无SPSR-svc系统管理中止未定义普通中断快速中断R13(SP)R13-svcR13-abtR13-undR13-irqR13-fiqR12-fiqR11-fiqR10-fiqR9-fiqR8-fiqSPSR-abtSPSR-undSPSR-irqSPSR-fiq用户异常模式特权模式图2-4ARM状态下的寄存器组织模式ARM状态的寄存器简介图2-4可以看到在所有的寄存器中，有些寄存器是各模式共用的同一个物理寄存器；有一些寄存器是各模式自己拥有的独立的物理寄存器。除了系统模式与用户模式具有完全相同的一组寄存器外，在其它每一种处理器模式下都有一组相应的寄存器组。任意时刻处理器的工作模式决定了哪些寄存器是编程者可以访问的。ARM状态的寄存器简介•对于系统模式、用户模式可以访问的寄存器是16个通用寄存器（R0-R14、R15（PC））和1个CPSR状态寄存器。•对于5种异常模式下，可以访问两个状态寄存器CPSR、SPSR和16个通用寄存器（可参见图2-4）。因此在任何时候，16个通用寄存器和1个或2个状态寄存器可在任何时候同时被访问，ARM状态的寄存器简介_影子寄存器在图中，带有“”“”的寄存器被称为影子寄存器，它是针对处理器不同工作模式下而特有的物理寄存器。在异常模式下，它们将代替用户或系统模式下使用的部分寄存器。在管理、中止、未定义、普通中断模式下的影子寄存器都为两个，而快速中断为7个，这样更有利于快速中断处理进程。ARM状态的寄存器_ARM状态通用寄存器•通用寄存器（R0~R15）可分为3类：不分组寄存器（Theunbankedregisters）：R0~R7；分组寄存器（Thebankedregisters）：R8~R14；程序计数器：R15（PC）ARM状态的寄存器_ARM状态通用寄存器不分组寄存器R0~R7:R0~R7是不分组寄存器。这意味着在所有处理器模式下，它们每一个都访问的是同一个物理寄存器。它们是真正并且在每种状态下都统一的通用寄存器。必须注意对同一寄存器在不同模式下使用时的数据保护。ARM状态的寄存器_ARM状态通用寄存器分组寄存器R8~R14FIQ模式分组寄存器R8~R12在FIQ模式下使用R8_fiq～R12_fiq，FIQ处理程序可以不必保存和恢复中断现场，从而使FIQ中断的处理过程更加迅速。FIQ以外的分组寄存器R8~R12在FIQ模式以外的其它4种异常模式下，可以访问R8～R12的寄存器和用户模式、系统模式下的R8-R12没有区别，是属于同一物理寄存器，也没有任何指定的特殊用途ARM状态的寄存器_ARM状态通用寄存器分组寄存器R13、R14寄存器R13、R14各有6个分组的物理寄存器。1个用于用户模式和系统模式，而其他5个分别用于5种异常模式。异常模式下R13、R14的访问时特别需要明确指定它们的工作模式。寄存器名字构成规则如下：R13_modeR14_mode其中mode可以从svc、abt、und、irq和fiq5种模式中选取一个。ARM状态的寄存器_ARM状态通用寄存器•R13寄存器R13通常用做堆栈指针SP，在ARM指令集中，并没有任何指令强制性的使用R13作为堆栈指针，而在Thumb指令集中，有一些指令强制性地使用R13作为堆栈指针。每一种异常模式拥有自己的物理R13。应用程序在对每一种异常模式进行初始化时，都要初始化该模式下的R13，使其指向相应的堆栈。当退出异常处理程序时，将保存在R13所指的堆栈中的寄存器值弹出，这样就使异常处理程序不会破坏被其中断程序的运行现场。ARM状态的寄存器_ARM状态通用寄存器•R14寄存器R14用作子程序链接寄存器（LinkRegister－LR），也称为LR，当程序执行子程序调用指令BL、BLX时，当前的PC将保存在R14寄存器中。每一种异常模式都有自己的物理R14，R14用来存放当前子程序的返回地址。当执行完子程序后，只要把R14的值复制到程序计数器PC中，子程序即可返回。两种方式可实现子程序的返回执行下面任何一条指令都可以实现子程序的返回：MOVPC，LRBXLR在子程序入口使用下面的指令将PC保存到栈中：STMFDSP！，｛registers，LR｝相应地，下面的指令可以实现子程序返回：LDMFDSP！，｛registers，PC｝两种方式可实现子程序的返回R14还用于异常处理的返回。当某种异常中断发生时，该异常模式下的寄存器R14将保存基于PC（进入异常前的PC）的返回地址在不同的流水线下，R14所保存的值会有所不同，三级流水下的R14保存的值为PC-4。在一个处理器的异常返回过程中，R14保存的返回地址可能与真正需要返回的地址有一个常数的偏移量，而且不同的异常模式这个偏移量会有所不同。异常中断返回的方式与上面的子程序返回方式基本相同。当然，在其他情况下R14寄存器也可以作为通用寄存器使用ARM状态的寄存器_ARM状态通用寄存器•通用寄存器（R0~R15）可分为3类：不分组寄存器（Theunbankedregisters）：R0~R7；分组寄存器（Thebankedregisters）：R8~R14；程序计数器：R15（PC）程序计数器：R15（PC）寄存器R15被用作程序计数器，也称为PC。它虽然可以作为一般的通用寄存器使用，但是由于R15的特