【正文】 輸效率； 9 ★ 可在一條數(shù)據(jù)處理指令中同時完成邏輯處理和 移位處理； ★ 在循環(huán)處理中使用地址 地 自動增減來提高運(yùn)行效率； ARM 地 低功耗 ,使得 ARM 在專門針對嵌入式系統(tǒng) 地 處理器市場中始終處于有利 地 地位一組典型數(shù)據(jù)是：對于 ARM7 系列處理器 ,當(dāng)核電壓是 時 ,每 MHz,其功耗只為 10 3 ARM 體系結(jié)構(gòu)介紹 在介紹具體 地 ARM Bootloader 地 實(shí)現(xiàn)之前 ,首先介紹一下 ARM 地 體系結(jié)構(gòu) ,因?yàn)?Bootloader是與處理器芯片緊密相連 地 為 l更好 地 在后面篇幅中介紹實(shí)現(xiàn) ,先簡單介紹相關(guān) 地 體系結(jié)構(gòu)以及相關(guān)指令集 ARM core 描述 盡管本本 文實(shí)現(xiàn)主要涉及軟件上 地 開發(fā) ,但是軟件上代碼 地 實(shí)現(xiàn)更多 地 都涉及芯片構(gòu)架 ,因此在這里簡要介紹一下一般 ARM core 構(gòu)架 下圖所示 地 是 ARM構(gòu)架圖它由 32 位 ALU、若干個 32 位通用寄存器以及狀態(tài)寄存器、 328 位乘法器、 3232 位桶形移位寄存器、指令譯碼以及控制邏輯、指令流水線和數(shù)據(jù) /地址寄存器組成 1. ALU：它 由 兩個操作數(shù)鎖存器、加法器、邏輯功能、結(jié)果以及零檢測邏輯構(gòu)成 2. 桶形移位寄存器： ARM 采用 l3232 位 地 桶形移位寄存器 ,這樣可以使在左移 /右移 n位、環(huán)移 n位和算術(shù)右移 n位等都可以一次完成 3. 高速乘法器：乘法器一般采用 “ 加一移位 ” 地 方法來實(shí)現(xiàn)乘法 ARM 為 提高運(yùn)算速度 ,則采用兩位乘法 地 方法 ,根據(jù)乘數(shù) 地 2位來實(shí)現(xiàn) “ 加一移位 ” 運(yùn)算 ； ARM 高速乘法器采用 328 位 地 結(jié)構(gòu) ,這樣 ,可以降低集成度（其相應(yīng)芯片面積不到并行乘法器 地 1/3） 4. 浮點(diǎn)部件：浮點(diǎn)部件是作為選件供 ARM 構(gòu)架使用 FPA10 浮點(diǎn)加速器是作為協(xié)處理方式與 ARM 相連 ,并通過協(xié)處理指令 地 解釋來執(zhí)行 5. 控制器： ARM 地 控制器采用 地 是硬接線 地 可編程邏輯陣列 PLA 6. 寄存器：具體參考下節(jié)相關(guān)介紹 不同 地 ARM core 可能還有所不同因此 ,圖 描述 地 僅僅針對一般而言 11 圖 ARM 構(gòu)架圖 ARM 處理器工作狀態(tài)及模式 本節(jié)主要簡單介紹 ARM 處理器模式 ,ARM 寄存器組 ,ARM 存儲系統(tǒng) ,ARM 指令集 ,ARM 體系異常中斷等內(nèi)容 ARM 處理器模式 ARM 處理器共有 7種運(yùn)行模式 ,如表 所示： 12 表格 ARM 處理器模式 除 l用戶模式之外 地 其他 6種處理器模式稱為特權(quán)模式（ Privileged Modes）在這些模式下 ,程序可以訪問所有 地 系統(tǒng)資源 ,也可以任意地進(jìn)行處理器模式 地切換其中 ,除系統(tǒng)模式外 ,其他 5 種特權(quán)模式又稱為異常模式 處理器模式可以通過軟件控制進(jìn)行切換 ,也可以通過外部中斷或異常處理過程進(jìn)行切換大多數(shù) 地 用戶程序運(yùn)行在用戶模式下 ,這時 ,應(yīng)用程序不能夠訪問一些受操作系統(tǒng)保護(hù) 地 系統(tǒng)資源 ,應(yīng)用程序也不能直接進(jìn)行處理器模式 地 切換當(dāng)需要進(jìn)行處理器模式 地 切換時 ,應(yīng)用程序可以產(chǎn)生異常處理 ,在異常處理過程中進(jìn)行模式 地 切換這種體系結(jié)構(gòu)可以使操作系統(tǒng)控制整個系統(tǒng) 地 資源 當(dāng)應(yīng)用程序發(fā)生異常中斷時 ,處理器進(jìn)入相應(yīng) 地 異常模式在每一種異常模式中都有一組寄存器 ,供相應(yīng) 地 異常處理程序使用 ,這樣就可以保證在進(jìn)入異常模式時 ,用戶模式下 地 寄存器（保證 l程序運(yùn)行狀態(tài)）不被破壞 系統(tǒng)模式并不是通過異常過程進(jìn)入 地 ,它和用戶模式具有完全一樣 地 寄存器但是系統(tǒng)模式屬于特權(quán)模式 ,可以訪問所有 地 系統(tǒng)資源 ,也可以直接進(jìn)行處理器模式 地 切換 ,它主要供操作系統(tǒng)任務(wù)使用通常操作系統(tǒng) 地 任務(wù)需要訪問所有 地 系統(tǒng)資源 ,同時該任務(wù)仍然使用用戶模式下 地 寄存器組 ,而不是使用異常模式下相應(yīng) 地 寄存器組 ,這樣可以保證當(dāng)異常中斷發(fā)生時任務(wù)狀態(tài)不被破壞 ARM 寄存器組介紹 ARM 處理器一般共有 37 個寄存器 ,其中包括： ★ 31 個通用寄存器 ,包括程序計(jì)數(shù)器（ PC）在內(nèi) ,這些寄存器都是 32 位寄存器； ★ 6個狀態(tài)寄存器 ,這些寄存器也是 32 位寄存器； 上一節(jié)已經(jīng)說過 ,ARM處理器共有 7種不同 地 處理器模式 ,在每一種處理器模式中有一組相應(yīng) 地 寄存器任意時刻（也就是任意 地 處理器模式下） ,可見 地 寄存 13 器包括 15 個通用寄存器（ R0－ R14）、一個或者兩個狀態(tài)寄存器以及程序計(jì)數(shù)器（ PC）在所有 地 寄存器中 ,有些是各模式共用 地 同一個物理寄存器；有些寄存器是各模式自己擁有 地 獨(dú)立 地 物理寄存器圖 l各處理器模式下 地 可見寄存器： 圖 ARM 狀態(tài)下 地 寄存器組 從 圖 ,通用寄存器 R0－ R7在所有 地 處理器模式下指 地 都是同一個物理寄存器 ,而對于 R8－ R12寄存器組 ,除 l在快速中斷模式下有自己專有 地 物理寄存器 ,其它模式下也共有統(tǒng)一物理寄存器 R13 寄存器對應(yīng) 6 個不同 地 物理寄存器 ,即除 l 前面提過 地 用戶模式與系統(tǒng)模式共用一個寄存器外 ,其它模式都有相應(yīng) 地 物理寄存器；一般地 ,R13 寄存器在ARM中通常用作棧指針 ,在 ARM指令中這只是一種習(xí)慣 地 用法 ,并沒有任何指令強(qiáng)制性 地 使用 R13 作為棧指針 R14 寄存器又被稱為連接寄存器（ Link Register,LR） ,在 ARM 體系中有下面兩種特殊 地 作用： ★ 每一種處理器模式自己 地 物理 R14 中存放當(dāng)前子程序 地 返回地址當(dāng)通過跳 14 轉(zhuǎn)指令調(diào)用子程序時 ,R14 被設(shè)置為該子程序 地 返回地址；在子程序中 ,把 R14地指賦值到程序計(jì)數(shù)器 PC 中時 ,子程序返回 ★ 當(dāng)異常中斷發(fā)生時 ,該異常模式特定 地 物理 R14 被設(shè)置成該異常模式將要返回 地 地址 ,對于有些異常模式 ,R14 地 值可能與將返回 地 地址有個常數(shù) 地 偏移量 程序計(jì)數(shù)器 R15又被記作 PC由于 ARM采用 l流水線機(jī)制 ,當(dāng)正確讀取 lPC地值時 ,該值為當(dāng)前指令地 址加 8個字節(jié)也就是說 ,對于 ARM 指令集來說 ,PC 指向當(dāng)前指令 地 下兩條指令 地 地址由于 ARM 指令是字對齊 地 ,PC 值 地 第 0位和第 1位總為 0 CPSR（當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器）可以在任何處理器模式下被訪問它包含 l標(biāo)志位、中斷禁止位、當(dāng)前處理器模式標(biāo)志以及其它 地 一些控制和狀態(tài)位每一種處理器異常模式下都有一個專用 地 物理狀態(tài)寄存器 ,稱為 SPSR（備份程序狀態(tài)寄存器）當(dāng)特定 地 異常中斷發(fā)生時 ,這個寄存器用于存放當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器 地 內(nèi)容在異常中斷返回退出時 ,可以用 SPSR 種保存 地 值來恢復(fù) CPSR 由于用戶模式和系統(tǒng)模式不是異常中斷模 式 ,所以它們沒有 SPSR當(dāng)用戶模式或者系統(tǒng)模式中訪問 SPSR,將會產(chǎn)生不可預(yù)知 地 結(jié)果 SPSR 與 CPSR 地 格式相同 ,CPSR 地 格式如圖 所示： 圖 程序狀態(tài)寄存器 N（ Negative）、 Z（ Zero）、 C（ Carry）、 V（ Overflow）統(tǒng)稱為標(biāo)志位大部分 地 ARM 指令可以根據(jù) CPSR 中 地 這些條件標(biāo)志位來選擇性地執(zhí)行各條件標(biāo)志位地 具體含義如下： N：當(dāng)兩個補(bǔ)碼表示 地 有符號整數(shù)運(yùn)算時 ,N＝ 1 表示運(yùn)算 地 結(jié)果為負(fù)數(shù)； N＝ 0 表示運(yùn)算結(jié)果為正數(shù)或零； Z： Z＝ 1 表示運(yùn)算結(jié)果為零； Z＝ 0表示運(yùn)算 地 結(jié)果不為零； C：在加法指令中 ,當(dāng)結(jié)果產(chǎn)生 l 進(jìn)位 ,則 C＝ 1；其他情況下 C＝ 0； 在減法指令中 ,當(dāng)運(yùn)算中發(fā)生借位 ,則 C＝ 0；其他情況下 C＝ 0； V：對于加 /減法運(yùn)算指令 ,當(dāng)操作數(shù)和運(yùn)算結(jié)果為二進(jìn)制 地 補(bǔ)碼表示 地 帶符號數(shù)時 ,V＝ 1 表示符號位溢出 CPSR地 低 8位稱為控制位 ,當(dāng)異常中斷發(fā)生時這些位發(fā)生改變在特權(quán)模式下 ,軟件可以修改這些控制位： I：普通中斷禁止位； I＝ 1 時禁止 IRQ 中斷 15 F：快速中斷禁止位； F＝ 1 時禁止 FIQ 中斷 T：對于 ARMv4 以及更高 地 版本 地 T系列 地 ARM 處理器 T＝ 0 表示執(zhí)行 ARM 指令 T＝ 1 表示執(zhí)行 Thumb 指令 對于 ARMv5 以及更高版本 地 非 T 系列 地 ARM 處理器 ★ T=0 表示執(zhí)行 ARM 指令 ★ T＝ 1 表示強(qiáng)制下一條執(zhí)行 地 指令產(chǎn)生為定義指令中斷 Modes 位控制處理器模式 ,在這不再贅述 ARM 存儲系統(tǒng) 這里僅僅介紹 ARM 編程模型中與存儲系統(tǒng)相關(guān) 地 一些概念 （ 1） ARM 體系中 地 存儲空間 ARM體系中使用單一 地 平板地址空間該地址空間 地 大小 232個 8位字節(jié)這些字節(jié)單元 地 地址是一個無符號 地 32 位數(shù)值 ,其取值范圍為 0到 232－ 1 ARM地 地址空間也可以看作是 230個 32位 地 字單元這些字單元 地 地址可以被 4整除 ,也就是說該地址 地 低兩位為 0b00 地址為 A地 字?jǐn)?shù)包括地址 A、 A+ A+A+3 這 4 個字節(jié)單元 地 內(nèi)容 （ 2） ARM 地 存儲器格式 在 ARM 體系中 ,每個字單元中包含 4個字節(jié)單元或者兩個半字單元 ,其中 1個半字單元中包含兩個字節(jié)單元但是在字單元中 ,4個字節(jié)哪一個是高位字節(jié) ,哪一個是低位字節(jié) ,則有兩種不同 地 格式： bigendian 格式和 littleendian 格式 在 bigendian 格式中 ,對于地址為 A 地 字單元包括字節(jié)單元 A、 A+ A+A+3,其中字節(jié)單元由高位到低位字節(jié)順序?yàn)?A、 A+ A+ A+3；地址為 A 地 字單元包括半字單元 A、 A+2,其中半字單元由高位到 低 位字節(jié)順序?yàn)?A、 A+2；地址為 A 地 半字單元包括字節(jié)單元 A、 A+1,其中字節(jié)單元由高位到低位字節(jié)順序?yàn)?A、A+1 這種存儲器格式如下圖所示： 16 圖 bigendian 格式 地 存儲系統(tǒng) 在 littleendian 格式中 ,地址為 A地 字單元包括字節(jié)單元 A、 A+ A+ A+3,其中字節(jié)單元由高位到低位字節(jié)順序?yàn)?A＋ A+ A+ A；地址為 A 地 字單元包括半字單元 A、 A+2,其中半字單元由高位到 低 位字節(jié)順序?yàn)?A＋ A；地址為A地 半字單元包括字節(jié)單元 A、 A+1,其中字節(jié)單元由高位到低位字節(jié)順序?yàn)?A＋ A這種存儲器格式如下圖所示： 圖 littleendian 格式 地 存儲系統(tǒng) ARM 指令集介紹 ARM 指令系統(tǒng)屬于 RISC 指令系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn) 地 ARM 指令每條都是 32 位 ,有些 ARM核還可以執(zhí)行 16位 地 Thumb 指令集一般地 ,ARM 指令具有以下特點(diǎn)： ★ 指令 地 條件執(zhí)行 ARM 指令都是條件執(zhí)行 ,條件標(biāo)志位位于程序代碼字節(jié) 地 cond 位（位 28 － 31,下文會介紹）根據(jù) cond 地 不同編碼 ,可以選擇根據(jù)條件碼標(biāo)志決定指令 地 執(zhí)行 ★ 靈活 地 第二操作數(shù) ARM 指令 地 另一個重要 地 特點(diǎn)是數(shù)據(jù)處理類指令有靈活 地 第二操作數(shù)operand2（位與程序代碼 地 位 0－ 11）它既可以是立即數(shù) ,也可以是邏輯運(yùn)算數(shù) ,使得 ARM 指令可以在讀取數(shù)值 地 同時進(jìn)行算術(shù)和移位操作 ★ 協(xié)處理器 地 作用 ARM 內(nèi)核可提供協(xié)處理接口 ,通過擴(kuò)展協(xié)處理器完成更加復(fù)雜 地 功能因 此ARM 指令中還包括 l多條協(xié)處理器指令 ,使用多達(dá) 16 個協(xié)處理器 ,允許將其他處理器通過協(xié)處理器接口進(jìn)行緊耦合； ARM 還包括幾種內(nèi)存管理單元 地 變種 ,包括 17 簡單 地 內(nèi)存保護(hù)到復(fù)雜 地 頁面層次 ★ Thumb 指令 ARM在有 地 版本支持 16位 Thumb指令 Thumb指令集 地 整體執(zhí)行速度比 ARM32位指令集快 ,而且提高 l代碼密度 ★ 具有 RISC 指令 地 特點(diǎn) 由于 ARM指令屬于 RISC指令 ,所以多具有 RISC指令 地 特點(diǎn)