【正文】 page 2021/11/10 西安郵電學(xué)院 計(jì)算機(jī)系 1 第 2章 ARM7體系結(jié)構(gòu) page 西安郵電學(xué)院 計(jì)算機(jī)系 2 2021/11/10 第 2章 目錄 ?1. ARM7體系結(jié)構(gòu) ?2. ARM7的狀態(tài)與模式 ?3. ARM7的寄存器 ?4. ARM7當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器（ CPSR） ?5. ARM7的異常與異常處理 ?6. ARM7的存儲(chǔ)系統(tǒng) page 西安郵電學(xué)院 計(jì)算機(jī)系 3 2021/11/10 第 2章 目錄 ?1. ARM7體系結(jié)構(gòu) ?2. ARM7的狀態(tài)與模式 ?3. ARM7的寄存器 ?4. ARM7當(dāng)前程序狀態(tài) 寄存器（ CPSR） ?5. ARM7的異常與異常處理 ?6. ARM7的存儲(chǔ)系統(tǒng) page 西安郵電學(xué)院 計(jì)算機(jī)系 4 2021/11/10 ARM簡(jiǎn)介 ? ARM是 Advanced RISC Machines的縮寫，它是一家微處理器行業(yè)的知名企業(yè)，該企業(yè)設(shè)計(jì)了大量高性能、廉價(jià)、耗能低的RISC （精簡(jiǎn)指令集）處理器。 ? ARM公司的特點(diǎn)是只設(shè)計(jì)芯片，而不生產(chǎn)。它將技術(shù)授權(quán)給世界上許多著名的半導(dǎo)體、軟件和 OEM廠商，并提供服務(wù)。 ARM公司簡(jiǎn)介 page 西安郵電學(xué)院 計(jì)算機(jī)系 5 2021/11/10 將技術(shù)授權(quán)給其它芯片廠商 形成各具特色的 ARM芯片 . . . 在目前的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中 , 你選用的是基于以下哪種架構(gòu)的芯片 ?AR M63%MI P S6%SH 3 /SH 41%P o w e r /P o w e r P C9%X8 621%page 西安郵電學(xué)院 計(jì)算機(jī)系 6 2021/11/10 ARM7體系結(jié)構(gòu) ? “體系結(jié)構(gòu) ” （或稱為 “ 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ” ），是處理器的邏輯抽象，是指程序員在使用某處理器編制程序時(shí)，所 “ 看到 ” 從而可以在程序中使用的處理器資源構(gòu)成、使用方式、工作原理及其相互間的關(guān)系。其中最為重要的就是處理器所提供的 指令系統(tǒng) 和寄存器組模型 。 ?馮 諾依曼存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu)和哈佛存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu) page 西安郵電學(xué)院 計(jì)算機(jī)系 7 2021/11/10 1. RISC處理器 RISC是精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)的縮寫，其目標(biāo)是設(shè)計(jì)出在高時(shí)鐘頻率下單周期執(zhí)行，簡(jiǎn)單而有效的指令集。 RISC處理器具有以下特點(diǎn)： ① 采用 LOAD/STORE結(jié)構(gòu)。因?yàn)樵L問(wèn)存儲(chǔ)器指令所需要的時(shí)間比較長(zhǎng)，在指令系統(tǒng)中要盡量減少這類指令，所以 RISC指令中只保留不可再少的LOAD/STORE兩種存儲(chǔ)器訪問(wèn)指令； ② 硬布線控制邏輯。使得大多數(shù)指令在單周期內(nèi)執(zhí)行完成，以減少微程序技術(shù)中的指令解釋開銷； ③ 減少指令和尋址方式的種類。尋址方式簡(jiǎn)單，指令系統(tǒng)?。? ④ 指令長(zhǎng)度固定。 page 西安郵電學(xué)院 計(jì)算機(jī)系 8 2021/11/10 2. ARM7 體系結(jié)構(gòu) ARM7采用 ARM v4T結(jié)構(gòu)，分為三級(jí)流水，具有如下特點(diǎn)： ① RISC處理器結(jié)構(gòu)； ② 能夠提供 ； ③ 支持 32位的 ARM指令集和 16位的 Thumb指令集； ④ ARM7所有的指令都可以條件執(zhí)行，使得程序設(shè)計(jì)更適合流水線的工作特點(diǎn)； ⑤ 專用的存儲(chǔ)器訪存指令（ Load/Store）。其它所有指令都是寄存器操作指令。 page 西安郵電學(xué)院 計(jì)算機(jī)系 9 2021/11/10 ? 每條數(shù)據(jù)處理指令可同時(shí)包含算術(shù)邏輯單元（ ALU）的運(yùn)算和移位處理，實(shí)現(xiàn) ALU和移位器的最大利用； ? 使用地址自增和自減的尋址方式優(yōu)化程序循環(huán)； ? 裝載 /保存指令對(duì)數(shù)據(jù)的批量傳輸，實(shí)現(xiàn)最大數(shù)據(jù)吞吐量 。 ? 大多數(shù)指令的條件執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)最快速的代碼執(zhí)行。 為了使 ARM能夠更好地滿足嵌入式應(yīng)用的需要， ARM體系結(jié)構(gòu)還有以下特點(diǎn)： ARM7TDMIS 支持高密度 16位的 Thumb指令集； 支持片上調(diào)試； 支持 64位乘法； 支持 EmbededICE觀察硬件； ARM7TDMI 的可綜合（ synthesizable）版本（軟核），對(duì)應(yīng)用工程師來(lái)說(shuō)其編程模型與 ARM7TDMI 一致； page 西安郵電學(xué)院 計(jì)算機(jī)系 10 2021/11/10 3. ARM7處理器的三級(jí)流水線 ARM處理器使用流水線來(lái)增加處理器指令流的速度，這樣可使幾個(gè)操作同時(shí)進(jìn)行，并使處理和存儲(chǔ)器系統(tǒng)連續(xù)操作，能提供 指令執(zhí)行速度。 ARM7TDMI的 流水線分 3級(jí) ，分別為： 取指 譯碼 執(zhí)行 取指 譯碼 執(zhí)行完成該指令對(duì)應(yīng)的操作 對(duì)已取入到處理器的指令進(jìn)行譯碼分析 從存儲(chǔ)器取指令到處理器 page 西安郵電學(xué)院 計(jì)算機(jī)系 11 2021/11/10 三級(jí)流水線結(jié)構(gòu)的指令執(zhí)行順序 PC 指令 1 指令 2 指令 3 指令 4 …… …… 程序存儲(chǔ)器 PC4 PC8 PC+4 周期 1 周期 2 周期 3 周期 4 周期 5 周期 6 取指 譯碼 執(zhí)行 取指 譯碼 執(zhí)行 取指 譯碼 執(zhí)行 取指 譯碼 執(zhí)行 在第 1個(gè)周期， PC指向指令 1，此時(shí)指令 1進(jìn)入三級(jí)流水線的取指階段。 1 在第 2個(gè)周期， 指向指令 2，此時(shí)指令1進(jìn)入三級(jí)流水線的譯碼階段，同時(shí)取出指令 2。 2 在第 3個(gè)周期， 指向指令 3，此時(shí)指令進(jìn)入三級(jí)流水線的執(zhí)行階段，指令 2進(jìn)入譯碼階段，取出指令 3。 3 在第 4個(gè)周期，指令 1執(zhí)行完成，指令 2和指令 3流水線推進(jìn)一級(jí)，同時(shí)開始指令 4的取指處理。 4處理器執(zhí)行一條指令的三個(gè)階段 page 西安郵電學(xué)院 計(jì)算機(jī)系 12 2021/11/10 程序清單 21 0x4000 ADD PC , PC , 4 。 正在被執(zhí)行的指令 ； PC ← PC 當(dāng)前值 + 4 0x4004 cmd2 。 正在被譯碼的指令； 0x4008 cmd3 。 正在被取指的指令 ； PC ＝ 0x4008 0x400C cmd4 。 PC＋ 4＝ 0x400C … page 西安郵電學(xué)院 計(jì)算機(jī)系 13 2021/11/10 第 2章 目錄 ?1. ARM7體系結(jié)構(gòu) ?2. ARM7的狀態(tài)與模式 ?3. ARM7的寄存器 ?4. ARM7當(dāng)前程序狀態(tài) 寄存器（ CPSR） ?5. ARM7的異常與異常處理 ?6. ARM7的存儲(chǔ)系統(tǒng) page 西安郵電學(xué)院 計(jì)算機(jī)系 14 2021/11/10 處理器狀態(tài) ? ARM7TDMI處理器內(nèi)核包含 2套指令系統(tǒng) ，分別為 ARM指令集 和 Thumb指令集 ，并且各自對(duì)應(yīng) 1種處理器的狀態(tài)： ?ARM狀態(tài) ： 32位，處理器執(zhí)行字方式的 ARM指令，處理器默認(rèn)為此狀態(tài)； ?Thumb狀態(tài) ： 16位，處理器執(zhí)行半字方式的Thumb指令。 注意： 兩個(gè)狀態(tài)之間切換并不影響處理器模式或寄存器內(nèi)容。 T h u m b 指 令 集A R M 指 令 集page 西安郵電學(xué)院 計(jì)算機(jī)系 15 2021/11/10 ARM處理器模式 ARM體系結(jié)構(gòu)支持 7種處理器模式，分別為：用戶模式 、 快中斷模式 、 中斷模式 、 管理模式 、中止模式 、 未定義模式 和 系統(tǒng)模式 。這樣的好處是可以更好的支持操作系統(tǒng)并提高工作效率。 ARM7TDMI完全支持這七種模式。 處理器模式 說(shuō)明 備注 用戶 (usr) 正常程序工作模式 不能直接切換到其它模式 系統(tǒng) (sys) 用于支持操作系統(tǒng)的特權(quán)任務(wù)等 與用戶模式類似，但具有可以直接切換到其它模式等特權(quán) 快中斷 (fiq) 支持高速數(shù)據(jù)傳輸及通道處理 FIQ異常響應(yīng)時(shí)進(jìn)入此模式 中斷 (irq) 用于通用中斷處理 IRQ異常響應(yīng)時(shí)進(jìn)入此模式 管理 (svc) 操作系統(tǒng)保護(hù)代碼 系統(tǒng)復(fù)位和軟件中斷響應(yīng)時(shí)進(jìn)入此模式 中止 (abt) 用于支持虛擬內(nèi)存和 /或存儲(chǔ)器保護(hù) 在 ARM7TDMI沒(méi)有大用處 未定義(und) 支持硬件協(xié)處理器的軟件仿真 未定義指令異常響應(yīng)時(shí)進(jìn)入此模式 page 西安郵電學(xué)院 計(jì)算機(jī)系 17 2021/11/10 ? 特權(quán)模式 處理器模式 說(shuō)明 備注 用戶 (usr) 正常程序工作模式 不能直接切換到其它模式 系統(tǒng) (sys) 用于支持操作系統(tǒng)的特權(quán)任務(wù)等 與用戶模式類似，但具有可以直接切換到其它模式等特權(quán) 快中斷 (fiq) 支持高速數(shù)據(jù)傳輸及通道處理 FIQ異常響應(yīng)時(shí)進(jìn)入此模式 中斷 (irq) 用于通用中斷處理 IRQ異常響應(yīng)時(shí)進(jìn)入此模式 管理 (svc) 操作系統(tǒng)保護(hù)代碼 系統(tǒng)復(fù)位和軟件中斷響應(yīng)時(shí)進(jìn)入此模式 中止 (abt) 用于支持虛擬內(nèi)存和 /或存儲(chǔ)器保護(hù) 在 ARM7TDMI沒(méi)有大用處 未定義 (und) 支持硬件協(xié)處理器的軟件仿真 未定義指令異常響應(yīng)時(shí)進(jìn)入此模式 除用戶模式外，其它模式均為 特權(quán)模式 。