【正文】 狀態(tài)寄存器的條件碼 。 第 8講 ARM技術概述 每種異常模式下都有一個對應的物理寄存器 ——程序狀態(tài)保存寄存器 SPSR（ Saved Program Status Register） 。 但對于同一流水線結構的 ARM處理器 ， 所有指令應該是統(tǒng)一的 。 由于在 ARM狀態(tài)下指令總是字對齊的 ， 所以 R15值的第 0位和第 1位總是 0（ PC[1：0]=00） ， PC[31： 2]用于保存地址 。 ? 在其它情況下 ， R14寄存器也可作為通用寄存器使用 。 當執(zhí)行完子程序后 ， 只要把 R14的值復制到程序計數(shù)器 PC中 ， 子程序即可返回 。 ② R14。 ARM指令集非強制 ， 也可用其它通用寄存器作堆棧指針 ， 而在 Thumb指令集中 ， 一些指令強制將 R13作為堆棧指針 。 1個用于用戶和系統(tǒng)模式 ， 其它 5個分別用于 5種異常模式 。 再加上各自的分組寄存器 R1 R14， 足以簡單地處理中斷 。 ——R8～ R12。 如果未加保護 ， 模式變化后 ， 有可能造成寄存器中存儲的數(shù)據(jù)被破壞 ，這是需要特別注意的 。 第 8講 ARM技術概述 通用寄存器 通用寄存器 （ R0～ R15） 可分為 3類： ?不分組寄存器 R0～ R7； ?分組寄存器 R8～ R14； ?程序計數(shù)器 R15（ PC） 。 ?因此 ， 在任意時刻 ， ARM處理器可有 16個通用寄存器和 1/2個狀態(tài)寄存器被訪問 。 每種處理模式使用的是與自己模式對應的不同寄存器組 ， 下圖列出了每種模式下可見的寄存器 。 這些寄存器并不是在同一時刻全部可被編程者看到或訪問的 。 第 8講 ARM技術概述 ARM寄存器 ARM寄存器概述 ARM處理器共有 37個寄存器 ， 按功能可分為通用寄存器和狀態(tài)寄存器兩類 。 系統(tǒng)模式 僅在 ARM體系結構 V4以上版本存在 。 異常模式 主要用于處理中斷和異常 。 除用戶模式外的其它 6種模式稱為特權模式 。 第 8講 ARM技術概述 ARM處理器工作模式 CPSR（ 當前程序狀態(tài)寄存器 ） 的低 5位用于定義當前操作模式 。 當操作數(shù)寄存器 Rm的狀態(tài)位 bit[0]為 1時 ，執(zhí)行 “ BX Rm“指令進入 Thumb狀態(tài) 。 第 8講 ARM技術概述 ARM處理器工作狀態(tài) 自從 ARM7TDMI核產(chǎn)生以后 ， 體系結構中具有 T變種的ARM處理器核可工作在以下兩種狀態(tài)： ? ARM狀態(tài) ： 32位 ， 執(zhí)行字對齊的 32位 ARM指令； ? Thumb狀態(tài) ： 16位 ， 執(zhí)行半字對齊的 16位 Thumb指令 ， 程序計數(shù)器 PC使用位 1選擇另一個半字 。Thumb不僅僅是另一個混合指令集的概念 ， 因為支持 Thumb的核有2套獨立的指令集 ， 它使設計者得到 ARM32位指令性能的同時 ， 又能享有 Thumb指令集的代碼方面的優(yōu)勢 ， 可在性能和代碼大小之間取得平衡 。 ? ARM7TDMI是第一個支持 Thumb的核 ， 以后出現(xiàn)的各種 ARM核都支持 Thumb指令集 。 第 8講 ARM技術概述 （ 4） XScale系列核 Intel XScale系列處理器核基于 ARMV5TE體系結構 ， 提供了從手持互聯(lián)網(wǎng)設備到互聯(lián)網(wǎng)基礎設施產(chǎn)品的全面解決方案 ， 支持 16位Thumb指令和 DSP擴展 ， 超低功耗 ， 高性能 。 ? 使用系統(tǒng)控制協(xié)處理器 CP15來管理片上 MMU和 CACHE資源 ，并且集成了 JTAG邊界掃描測試電路以支持印制板連接測試 。 1998年 Intel公司接管 Digital半導體公司到現(xiàn)在 ， 采用了同樣的技術 ， 并且進一步考慮了功耗效率 ， 設計了 StrongARM SA110，成為高性能嵌入式微處理器設計的里程碑 。 任何降低 CPI的方法都必須考慮存儲器的帶寬 。 ARM核可支持的最高時鐘頻率是由任意流水線級最慢的關鍵邏輯路徑?jīng)Q定的 。 第 8講 ARM技術概述 ARM10系列核 ARM10TDMI屬于 ARM處理器核中的高端處理器核 ， 在相同工藝條件下 ， ARM10TDMI 的性能近似為 ARM9TDMI 的 2 倍 。 在 ARM9TDMI的流水線中多出的 “ 存儲器 ” 級在 ARM7TDMI中沒有直接的對應級 ， ARM7TDMI由中斷流水線附加的 “ 執(zhí)行 ”周期來執(zhí)行 。 （ 1） ARM9TDMI的技術特點 ? 支持 Thumb指令集； ? 含有 EmbeddedICE模塊 ， 支持片上調(diào)試和硬件單步調(diào)試 ， 并可在異常時設置斷點； ? 支持片上浮點協(xié)處理器 、 DSP或其它專用的硬件加速要求； ? 通過采用 5級流水線以增加最高時鐘頻率； ? 采用 、 ， 也可用 、 、 ； ? 使用分開的指令與數(shù)據(jù)存儲器端口 ， 以改善 CPI（ 指令周期數(shù) ） ， 增強處理器性能 。 ARM7TDMI的具體含義是： ARM7 32位 ARM體系結構 4T版本； T Thumb16位壓縮指令集； D 支持片上 Debug（ 調(diào)試 ） ； M 增強型 Multiplier（ 乘法器 ） ； I Embedded ICE硬件 ， 支持片上斷點和觀察點 。 ARM處理器核作為基本處理單元 ， 還集成了與處理器核密切相關的功能模塊 ， 如Cache、 MMU或 AMBA接口 ， 統(tǒng)稱 CPU核 。這就對處理器的數(shù)字信號處理能力提出了很高的要求 ， 同時還必須保證低功耗 。 Jazelle技術的誕生使得一些必須用到協(xié)處理器和雙處理器的場合可用單處理器代替 ， 既保證了機器的性能 ， 又降低了功耗和成本 。 （ 3） 增強型 DSP指令 （ E變種 ） E變種的 ARM體系增加了一些增強處理器對典型 DSP算法處理能力的附加指令： ? 幾條新的完成 16位數(shù)據(jù)乘法和乘加操作的指令； ? 實現(xiàn)飽和的有符號數(shù)的加減法操作的指令 ， 包括雙字讀取指令 LDRD、雙字寫入指令 STRD和協(xié)處理器寄存器傳輸指令 MCRR/MRRC； ? CACHE預取指令 PLD； E變種首先在 ARM體系 V5T中使用 ， 用字符 E表示 。 如 V4T、 V5T。 版本 體系結構 ARM核 技術特征 第 8講 ARM技術概述 ARM體系結構演變 （ 1） Thumb指令集 （ T變種 ） Thumb指令集是把 32位 ARM指令集的一個子集重新編碼后形成的一個特殊的 16位 指令集 ， 使指令代碼的密度得以提高 。 版本 2 V2 ARM2 ?支持乘和乘加指令 ?技術協(xié)處理器指令； ?對于 FIQ模式 ， 提供了額外的影子寄存器； ?增加了 SWP和 SWPB指令； ?ARM具有片上 Cache。 ARM系列處理器的各體系結構版本實現(xiàn)技術各不相同 ， 實現(xiàn)的性能差別也很大 ， 應用場合也有所不同 。 ARM的設計初衷是 簡單性 ， 主要體現(xiàn)在其硬件組織和實現(xiàn)上 ， 比指令集表現(xiàn)得更明顯 。 ARM技術的確立和認可是從 ARM7開始的 。第 8講 ARM技術概述 陳慈發(fā) 2022年春夏 第 8講 ARM技術概述 ARM包含兩個含義 ， 一是 ARM公司 ， 是一家位于英國劍橋的 Advanced RISC Machine Limited（ 簡稱 ARM Limited） ，成立于 1990年 11月 ， 由 Acorn電腦集團 、 蘋果電腦和 VLSI Technology合資組建；另一個是 ARM處理器 ， 是一種先進RISC處理器 。 它使用標準的 、 固定長度的 32位 指令格式 ， 所有 ARM指令都使用了 4位的條件編碼 來決定該指令是否執(zhí)行 ， 這種方式解決了指令執(zhí)行的條件判定 、 確定條件分支的問題 ， 從而對代碼的密度和性能都有好處 ， 這是它的一大技術優(yōu)勢 。 ARM體系結構有選擇地采用了若干 Berkeley RISC處理器中的技術特征 ， 包括： ? Load/Store體系結構； ?固定的 32位指令長度； ? 3地址指令格式 。 第 8講 ARM技術概述 ARM版本 ARM公司自成立以來 ， 在 32位嵌入式處理器開發(fā)領域中不斷取得突破 ， ARM體系的指令集形成了多種版本 ， 各版本還發(fā)展了一些變種 ， 這些變種定義了該版本指令集中不同的功能 ， 應用于不同的處理器設計中 。 ARM體系結構版本 第 8講 ARM技術概述 版本 體系結構 ARM核 技術特征 版本 1 V1 ARM1 ?26位地址空間 ?不支持乘法或協(xié)處理器指令； ?基于字節(jié) 、 字和多字的存儲器訪問指令 （ Load/Store） ； ?子程序調(diào)用指令 BL在內(nèi)的跳轉指令； ?完成系統(tǒng)調(diào)用的軟件中斷指令 SWI。 ARM10TDMI ARM1020E 版本 6 V6 ARM11 ARM1156T2S ARM1156T2FS ARM1176JZS ARM1176JZFS ?降低了耗電量； ?強化了圖形處理性能； ?增加了 SIMD指令集 ， 將語音和圖像的處理功能提高 4倍； ?支持多核 。 通常使用 ARM版本號來指明 Thumb版本 。 ARM版本 3最早引入 ， V4以后為標準配置 ， 用 M表示 ， 現(xiàn)已省略 。 Jazelle技術使得在一個單獨的處理器上同時運行 Java應用程序 、 已經(jīng)建立好的操作系統(tǒng)和中間件以及其它應用程序成為可能 。 新一代的 Inter應用產(chǎn)品 、 移動電話和PDA等設備終端需要提供高性能的流式媒體 ， 包括音 、 視頻等 ， 而且這些設備需要提供更加人性化的界面