【正文】 86 內部寄存器 ? 寫 R15的限制 正常操作時，寫入 R15 的值被當作一個指令地址，程序從這個地址處繼續(xù)執(zhí)行（相當于執(zhí)行一次無條件跳轉）?？梢哉J為它是一個通用寄存器，但是對于它的使用有許多與指令相關的限制或特殊情況。 77 Lable 程序 A 程序 B R14 內部寄存器 ? R14（ LR）寄存器與子程序調用 BL Lable 地址 A ??? MOV PC,LR R14(地址 A) ??? A執(zhí)行過程中調用程序 B； 操作流程 Lable，執(zhí)行程序 B。一個用于除 FIQ模式之外的所有寄存器模式，另一個用于 FIQ模式。 系統(tǒng)模式是特權模式，不受用戶模式的限制。 ?增強的 Thumb、 Jazelle、 DSP擴展支持； ?帶片上和系統(tǒng)安全 TrustZone 技術支持 ； ?在 550MHz； ?MPCore在 740MIPS（ Dhrystone ）； ?支持多媒體指令 SIMD； ?采用三種電源模式：全速 /待命 /休眠 ?集成 DMA的 TCM ?低功耗、高性能。 周期 操作 LDMIA R13!, {R0R3} SUB R9, R7, R3 ORR R8, R4, R3 AND R6, R3, R1 1 2 3 4 5 6 7 8 STR R4, [R9] 9 F – 取指（ Fetch） D – 解碼（ Decode） E – 執(zhí)行（ Execute） I – 互鎖（ Interlock） M – 存儲器（ Memory ） W –寫回（ Writeback） F D E W F D E W D E F D E W F M D W E MW MW MW I I I I I I M I I F 48 ARM9TDMI系統(tǒng)舉例 ARM9TDMI 數(shù)據(jù) 存儲器 指令 存儲器 CTRL DA[..] DD[..] CTRL IA[..] ID[..] GLUE GLUE 注意 : 數(shù)據(jù)接口必須能夠讀取指令存儲器中的數(shù)據(jù)。這些表保存在主存里，并且提供虛擬地址與物理地址的映射和訪問權限。 當前 ARM體系結構的擴充包括： ? Thumb:16位指令集，用以改善代碼密度； ? DSP：用于 DSP應用的算術運算指令集； ? Jazeller：允許直接執(zhí)行 Java代碼的擴充。而相對同時期的其他解決方案， ARM架構的能效比優(yōu)勢非常明顯。這種精簡的結構使 ARM2具有優(yōu)異的低功耗特性，而性能則超過了同期 Intel公司的 286（ 134K個晶體管）。雖然它是市面上最普遍適用的測試向量，但它有許多漏洞。 8 評估嵌入式系統(tǒng)處理器的主要指標 要先明確預期最終應用程序在待選平臺上的運行情況和測試目的，然后再挑選符合要求的特定測試向量。還有一些半導體廠商針對智能手機和移動通訊市場的需求，將RISC微處理器和 DSP集成在一個芯片上，如 TI 的OMAP。 ANSI C是當前嵌入式領域的標準編程語言，隨著嵌入式微處理器性能的提高，面向對象的語言也將被采用并會逐漸成為主流，一些編譯器供應商已經開始著手解決代碼密度問題。一般的嵌入式微處理器都有三種運行模式：運行模式（operational）；待機模式（ standby or power down）；停機模式（ and clockoff）。1 嵌入式系統(tǒng)設計與實例開發(fā) — 基于 32位微處理器與實時操作系統(tǒng) 第三講 ARM嵌入式微處理器體系結構 北京航空航天大學 機器人研究所 王田苗 魏洪興 2 本節(jié)提要 1 3 2 4 嵌入式微處理器概述 ARM體系結構概覽 ARM編程模型 ARM 異常處理 3 嵌入式處理器概述 ? 嵌入式微處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心。功耗的評測指標是 MIPS/W； ? 代碼存儲密度。） 5 嵌入式處理器評價指標（ 2） ? 集成度。 6 嵌入式處理器的基本結構（ 1） ? 微處理器是整個系統(tǒng)的核心，通常由 3大部分組成：控制單元、算術邏輯單元和寄存器。 ? MIPS測試基準。 ? EEMBC。 ? 1990年 ARM公司另外組建了一個名為 “ Advanced RISC Machines” 的公司，專門從事 ARM系列微處理器的開發(fā)。 ? 應用方案非常靈活：由于 ARM公司只是提供了一個高效精簡的核心，各半導體廠商可根據(jù)自身需求進行應用設計，架構靈活簡便、擴展力很強。 ARM處理器系列提供的解決方案包括： ? 在無線、消費電子和圖像應用方面的開放平臺； ? 存儲、自動化、工業(yè)和網絡應用的嵌入式實時系統(tǒng)； ? 智能卡和 SIM卡的安全應用。 MMU適用于支持多任務的復雜操作系統(tǒng)平臺。 為調試方便，建議數(shù)據(jù)接口能夠讀寫指令存儲器。 SecurCore SC100：第一個 32位安全處理器；、 SC110：在 SC100上增加密鑰協(xié)處理器； SC200：帶 Jazelle技術的高級安全處理器； SC210：在 SC200上增加密鑰協(xié)處理器 ?SecurCore是專門為智能卡、安全 IC提供的 32位安全處理器， 為電子商務、銀行、網絡、移動多媒體、公共交通提供安全解決方案； ?體積小、功耗低，代碼壓縮密度高； ?為快速增長的 Java卡平臺提供 Java加速功能； 53 ARM處理器結構綜述（四） Cortex CortexA：面向應用的微處理器，針對復雜操作系統(tǒng)和應用程序設計； CortexR：針對實時系統(tǒng)的嵌入式處理器； CortexM：針對成本敏感應用優(yōu)化的深度嵌入式處理器； ?2022年發(fā)布，提供增強的媒體和數(shù)字處理能力，增加了系統(tǒng)性能； ?支持 ARM、 Thumb、 Thumb2指令集； ?Thumb2指令集提供了更高的代碼存儲密度，進一步降低成本； Intel系列 StrongARM： ARMv4體系 XScale： ARMv5TE體系，增加MMX指令 ?StrongARM主要應用于手持設備和 PDA， 5級流水線，具有獨立的數(shù)據(jù)和指令 Cache，不支持Thumb指令集，目前已停產； ?XScale是目前 Intel公司主推的高性能嵌入式處理器，分通用處理器、網絡處理器和 I/O處理器三類。操作系統(tǒng)在該模式下訪問用戶模式的寄存器就比較方便，而且操作系統(tǒng)的一些特權任務可以使用這個模式訪問一些受控的資源。這樣在發(fā)生 FIQ中斷后，可以加速 FIQ的處理速度。同時硬件將 “ BL Lable”指令的下一條指令所在地址存入 R14（ LR）； B執(zhí)行最后，將 R14寄存器的內容放入 PC，返回程序 A； 78 內部寄存器 ? R14寄存器 與異常發(fā)生 異常發(fā)生時，程序要跳轉至異常服務程序，對返回地址的處理與子程序調用類似，都是由硬件完成的。如果 R15使用的方式超出了這些限制，那么結果將是不可預測的。 87 內部寄存器 ? 寫 R15的限制 由于 ARM指令以字節(jié)為邊界，因此寫入 R15的值最低兩位通常為 0b00。所以最好避免使用 STR和 STM指令來保存 R15，如果很難做到，那么應當在程序中計算出該芯片的偏移量。 82 ? 當處理器執(zhí)行在 ARM狀態(tài) : ? 所有指令 32 bits 寬 ? 所有指令必須 word 對齊 ? 所以 pc值由 bits [31:2]決定 , bits [1:0] 未定義 (所以指令不能 halfword / byte對齊 ). ? 當處理器執(zhí)行在 Thumb狀態(tài) : ? 所有指令 16 bits 寬 ? 所有指令必須 halfword 對齊 ? 所以 pc值由 bits [31:1]決定 , bits [0] 未定義 (所以指令不能 byte對齊 ). ? 當處理器執(zhí)行在 Jazelle狀態(tài) : ? 所有指令 8 bits 寬 ? 處理器執(zhí)行 word 存取一次取 4條指令 程序指針 PC (r15) 83 寄存器類別 寄存器在匯編中的名稱 各模式下實際訪問的寄存器 用戶 系統(tǒng) 管理 中止 未定義 中斷 快中斷 通用寄存器和程序計數(shù)器 R0(a1) R0 R1(a2) R1 R2(a3) R2 R3(a4) R3 R4(v1) R4 R5(v2) R5 R6(v3) R6 R7(v4) R7 R8(v5) R8 R8_fiq R9(SB,v6) R9 R9_fiq R10(SL,v7) R10 R10_fiq R11(FP,v8) R11 R11_fiq R12(IP) R12 R12_fiq R13(SP) R13 R13_svc R13_abt R13_und R13_irq R13_fiq R14(LR) R14 R14_svc R14_abt R14_und R14_irq R14_fiq R15(PC) R15 狀態(tài)寄存器 CPSR CPSR SPSR 無 SPSR_abt SPSR_abt SPSR_und SPSR_irq SPSR_fiq 程序計數(shù)器 R15（ PC） 寄存器 R15為 程序計數(shù)器 （ PC），它指向正在取指的地址。 76 寄存器類別 寄存器在匯編中的名稱 各模式下實際訪問的寄存器 用戶 系統(tǒng) 管理 中止 未定義 中斷 快中斷 通用寄存器和程序計數(shù)器 R0(a1) R0 R1(a2) R1 R2(a3) R2 R3(a4) R3 R4(v1) R4 R5(v2) R5 R6(v3) R6 R7(v4) R7 R8(v5) R8 R8_fiq R9(SB,v6) R9 R9_fiq R10(SL,v7) R10 R10_fiq R11(FP,v8) R11 R11_fiq R12(IP) R12 R12_fiq R13(SP) R13 R13_svc R13_abt R13_und R13_irq R13_fiq R14(LR) R14 R14_svc R14_abt R14_und R14_irq R14_fiq R15(PC) R15 狀態(tài)寄存器 CPSR CPSR SPSR 無 SPSR_abt SPSR_abt SPSR_und SPSR_irq SPSR_fiq 鏈接寄存器 R14（ LR） R14為 鏈接寄存器 （ LR），在結構上有兩個特殊功能： ?在每種模式下，模式自身的 R14版本用于保存子程序返回地址； ?當發(fā)生異常時，將 R14對應的異常模式版本設置為異常返回地址（有些異常有一個小的固定偏移量）。它們所對應的物理寄存器取決于當前的處理器模式，幾乎所有允許使用通用寄存器的指令都允許使用分組寄存器 73 寄存器類別 寄存器在匯編中的名稱 各模式下實際訪問的寄存器 用戶 系統(tǒng) 管理 中止 未定義 中斷 快中斷 通用寄存器和程序計數(shù)器 R0(a1) R0 R1(a2) R1 R2(a3) R2 R3(a4) R3 R4(v1) R4 R5(v2) R5 R6(v3) R6 R7(v4) R7 R8(v5) R8 R8_fiq R9(SB,v6) R9 R9_fiq R10(SL,v7) R10 R10_fiq R11(FP,v8) R11 R11_fiq R12(IP) R12 R12_fiq R13(SP) R13 R13_svc R13_abt R13_und R13_irq R13_fiq R14(LR) R14 R14_svc R14_abt R14_und R14_irq R14_fiq R15(PC) R15 狀態(tài)寄存器 CPSR CPSR SPSR 無 SPSR_abt SPSR_abt SPSR_und SPSR_irq SPSR_fiq 一般的通用寄存器 R12_fiq R12 R11_fiq R11 R10 fiq R10 R9_fiq R9 R8_fiq R8 寄存器 R8～ R12有兩個分組的物理寄存器。 未定義 (und) 中止 (abt) 管理 (svc) 中斷 (irq) 快中斷 (fiq) 系統(tǒng) (sys) 66 處理器工作模式 (3) ? 用戶和系統(tǒng)模式 處理器模式 說明 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)的特權任務等 與用戶模式類似，但具有可以直接切換到其它模式等特權 快中斷 (fiq) 支持高速數(shù)據(jù)傳輸及通道處理 FIQ異常響應時進入此模式