ARM寻址方式与指令系统

NEUSOFTInstituteofInformationTechnology,ChengDuDate:12.Sept.2005嵌入式系统原理与接口技术第3章ARM寻址方式与指令系统NEUSOFTInstituteofinformationTechnology.ChengDu成都东软信息技术学院计算机系杨宗德[e-mail]@neusoft.comNEUSOFTInstituteofInformationTechnology,ChengDuDate:12.Sept.20053.1ARM编程模型NEUSOFTInstituteofInformationTechnology,ChengDuDate:12.Sept.20053.1.1机器指令、伪指令和宏指令¾机器指令能被处理器直接执行，而伪指令宏和宏指令不能。机器指令包括ARM指令集和Thumb指令集；¾伪指令是在源程序汇编期间，由汇编编译器处理。其作用是为汇编程序完成准备工作；¾宏指令在程序中用于调用宏，宏是一段独立的程序代码；在程序汇编时，对宏调用进行展开，用宏体代替宏指令。NEUSOFTInstituteofInformationTechnology,ChengDuDate:12.Sept.20053.1.2ARM处理器模式processormode•除用户模式之外的其余6种称为非用户模式，或特权模式（PrivilegedModes）；而特权模式中，除系统模式之外的其余5种又称为异常模式（ExceptionModes），不同的工作模式间可以相互切换。工作模式功能M[4:0]用户模式（usr）正常的程序执行状态10000快速中断模式（fiq）用于高速数据传输或通道处理10001外部中断模式（irq）用于通用的中断处理10010管理模式（svc）操作系统的保护模式10011中止模式(abt)用于虚拟存储及存储保护10111未定义指令模式und用于支持硬件协处理器的软件仿真11011系统模式（sys）运行特权级的操作系统任务11111NEUSOFTInstituteofInformationTechnology,ChengDuDate:12.Sept.2005ARM的寄存器组织用户模式R0R1R2R3R4R5R6R7R8R9R10R11R12R13R14R15CPSR系统模式R0R1R2R3R4R5R6R7R8R9R10R11R12R13R14R15CPSR管理模式R0R1R2R3R4R5R6R7R8R9R10R11R12R13_svcR14_svcR15CPSRSPSR_svc中止模式R0R1R2R3R4R5R6R7R8R9R10R11R12R13_abtR14_abtR15CPSRSPSR_abt未定义指令模式R0R1R2R3R4R5R6R7R8R9R10R11R12R13_undR14_undR15CPSRSPSR_und外部中断模式R0R1R2R3R4R5R6R7R8R9R10R11R12R13_irqR14_irqR15CPSRSPSR_irq快速中断模式R0R1R2R3R4R5R6R7R8_fiqR9_fiqR10_fiqR11_fiqR12_fiqR13_fiqR14_fiqR15CPSRSPSR_fiqNEUSOFTInstituteofInformationTechnology,ChengDuDate:12.Sept.2005ARM处理器的寄存器(续)NEUSOFTInstituteofInformationTechnology,ChengDuDate:12.Sept.2005ARM的寄存器组织1.通用寄存器:包括R0～R15，以及程序计数器PC.¾R0～R7称为不分组寄存器；¾R8～R12有两组物理寄存器。一组属于快速模式(R8_fiq～R12_fiq），另一组属于其它模式(R8_usr~R12_usr)；¾R13和R14有6组物理寄存器。其中用户模式和系统模式共用一组。寄存器R13通常作为堆栈指针SP(stackpointer),寄存器R14常用作连接寄存器LR（linkregister）；¾寄存器R15，又称为PC(programcounter)NEUSOFTInstituteofInformationTechnology,ChengDuDate:12.Sept.2005ARM的寄存器组织2.状态寄存器:¾当前程序状态寄存器CPSR(currentprogramstatusRegister)，可以在任何工作模式下被访问；¾程序状态备份寄存器SPSR(SavedProgramStatusRegister)，只有在异常模式下，才能被访问；NEUSOFTInstituteofInformationTechnology,ChengDuDate:12.Sept.2005CPSR/SPSR•条件标志（ConditionCodeFlags）–N=ALU计算结果为负数（NegativeresultfromALU(ArithmeticLogicalUnit)flag）。–Z=ALU计算结果为0（ZeroresultfromALUflag）。–C=ALU计算结果进位（ALUoperationCarriedout）。–V=ALU计算结果溢出（ALUoperationOVerflowed）。•中断禁止位（InterruptDisablebits）–I=1，关IRQ。–F=1，关FIQ。•TBit(Architecturev4Tonly)–T=0,处理器当前处于ARM状态（ProcessorinARMstate）–T=1,处理器当前处于Thumb状态（ProcessorinThumbstate）NEUSOFTInstituteofInformationTechnology,ChengDuDate:12.Sept.2005CPSR/SPSRM[4:0]模式AccessibleRegisters10000UserPC,R14toR0,CPSR10001FIQPC,R14_FIQtoR8_FIQ,R7toR0,CPSR,SPSR_FIQ10010IRQPC,R14_IRQ,R13_IRQ,R12toR0,CPSR,SPSR_IRQ10011SVCPC,R14_SVC,R13_SVC,R12toR0,CPSR,SPSR_SVC10111AbortPC,R14_ABORT,R13_ABORT,R12toR0,CPSR,SPSR_ABORT11011UndefPC,R14_UNDEF,R13_UNDEF,R12toR0,CPSR,SPSR_UNDEF11111SystemPC,R14toR0,CPSR(Architecture4only)NEUSOFTInstituteofInformationTechnology,ChengDuDate:12.Sept.20053.1.3异常的产生•直接异常：软件中断，未定义指令（包括所要求的协处理器不存在时的协处理器命令）和预取指令•间接异常：数据中止（在Load和Store数据访问时的存储器故障）•外部异常：复位，IRQ和FIQNEUSOFTInstituteofInformationTechnology,ChengDuDate:12.Sept.2005异常产生时的模式切换NEUSOFTInstituteofInformationTechnology,ChengDuDate:12.Sept.2005异常产生时的模式切换(续)•当异常发生后，ARMcore的操作：–（1）将CPSR拷贝到SPSR_mode(自动的)–（2）将PC保存在相应异常模式下的lr_mode(自动的)–（3）设置CPSR中适当的位•清除CPSR中的Thumb位（异常进入后均为ARMstate，不可能是THUMBstate）•修改相应的模式位•关中断，如果是FIQ或Reset异常，还要关FIQ–映射相应模式的寄存器–将PC指向向量地址NEUSOFTInstituteofInformationTechnology,ChengDuDate:12.Sept.2005异常返回•从异常返回，ARMcore的操作：–从SPSR_mod中恢复CPSR(代码实现)–恢复PC从LR_mod(代码实现)•各种异常的返回时，对返回地址的调整不同：–SWI/UND:movspc,r14_swi/und–FIQ/IRQ/Prefetch:subspc,r14_fiq/irq/prefetch,#4–DataABR:subspc,r14_dataabr,#8NEUSOFTInstituteofInformationTechnology,ChengDuDate:12.Sept.2005异常返回(续)•汇编指令中的^和S标记可用于异常返回，恢复PC的同时恢复CPSR。•S标记的例子见前述命令中的“movs”。•如果使用堆栈返回，预先保存在栈中的返回地址要求已做好调整。在异常返回时使用类似如下指令：“ldmfdr13!,(r0-r3,pc)^”–1）“^”后缀不允许在usr和svc模式下使用。–2）如果用在LDM指令中，且寄存器列表中含有PC时，那么除了正常的多寄存器传送外，将SPSR拷贝到CPSR中。这一特点用于异常处理返回。–3）如果使用“^”后缀进行数据传送且寄存器列表不包含PC时，加载/存储的是usr模式的寄存器，而不是当前模式的寄存器。NEUSOFTInstituteofInformationTechnology,ChengDuDate:12.Sept.2005异常中断Ⅰ•异常中断是指处理器由于外部或内部的原因，停止执行当前任务，转而处理特定的事件，处理完后返回原程序，继续执行。异常类型工作模式特定地址（低端）特定地址（高端）优先级复位管理模式0x000000000xFFFF00001未定义指令未定义指令中止模式0x000000040xFFFF00046软件中断（SWI）管理模式0x000000080xFFFF00086指令预取中止中止模式0x0000000C0xFFFF000C5数据访问中止中止模式0x000000100xFFFF00102外部中断请求（IRQ）外部中断模式0x000000180xFFFF00184快速中断请求（FIQ）快速中断模式0x0000001C0xFFFF001C3NEUSOFTInstituteofInformationTechnology,ChengDuDate:12.Sept.2005异常中断Ⅱ（1）•例子：1.整个地址空间的起始位置（地址0x00000000开始）有以下指令，一旦发生外部中断请求，处理器首先自动保存当前状态（PC-R14，CPSR-SPSR），进入外部中断模式，接着执行地址0x00000018处的指令，即bIRQ_SVC_HANDLER跳转到标号IRQ_SVC_HANDLER处开始执行。bSYS_RST_HANDLER；对0x00000000bUDF_INS_HANDLER；0x00000004bSWI_SVC_HANDLER；应0x00000008bINS_ABT_HANDLER；0x0000000cbDAT_ABT_HANDLER；地0x00000010b.；bIRQ_SVC_HANDLER；址0x00000018bFIQ_SVC_HANDLER；0x0000001cNEUSOFTInstituteofInformationTechnology,ChengDuDate:12.Sept.2005异常中断Ⅱ（2）IRQ_SVC_HANDLER处的代码为：IRQ_SVC_HANDLERsublr,lr,#4stmfdsp!,{r0-r3,lr}ldrr0,=IRQ_SVC_Vectorldrpc,[r0]处理器将通用寄存器和返回地址压入堆栈，接着跳转到外部中断请求的中断服务程序中。IRQ_SVC_Vector为外部中断请求的中断向量。NEUSOFTInstitute