【正文】 86 內(nèi)部寄存器 ? 寫 R15的限制 正常操作時(shí)，寫入 R15 的值被當(dāng)作一個(gè)指令地址，程序從這個(gè)地址處繼續(xù)執(zhí)行（相當(dāng)于執(zhí)行一次無(wú)條件跳轉(zhuǎn)）。可以認(rèn)為它是一個(gè)通用寄存器，但是對(duì)于它的使用有許多與指令相關(guān)的限制或特殊情況。 77 Lable 程序 A 程序 B R14 內(nèi)部寄存器 ? R14（ LR）寄存器與子程序調(diào)用 BL Lable 地址 A ??? MOV PC,LR R14(地址 A) ??? A執(zhí)行過(guò)程中調(diào)用程序 B； 操作流程 Lable，執(zhí)行程序 B。一個(gè)用于除 FIQ模式之外的所有寄存器模式，另一個(gè)用于 FIQ模式。 系統(tǒng)模式是特權(quán)模式，不受用戶模式的限制。 ?增強(qiáng)的 Thumb、 Jazelle、 DSP擴(kuò)展支持； ?帶片上和系統(tǒng)安全 TrustZone 技術(shù)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(chǔ)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(chǔ)器 指令 存儲(chǔ)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(chǔ)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(wèn)權(quán)限。 當(dāng)前 ARM體系結(jié)構(gòu)的擴(kuò)充包括： ? Thumb:16位指令集，用以改善代碼密度； ? DSP：用于 DSP應(yīng)用的算術(shù)運(yùn)算指令集； ? Jazeller：允許直接執(zhí)行 Java代碼的擴(kuò)充。而相對(duì)同時(shí)期的其他解決方案， ARM架構(gòu)的能效比優(yōu)勢(shì)非常明顯。這種精簡(jiǎn)的結(jié)構(gòu)使 ARM2具有優(yōu)異的低功耗特性，而性能則超過(guò)了同期 Intel公司的 286（ 134K個(gè)晶體管）。雖然它是市面上最普遍適用的測(cè)試向量，但它有許多漏洞。 8 評(píng)估嵌入式系統(tǒng)處理器的主要指標(biāo) 要先明確預(yù)期最終應(yīng)用程序在待選平臺(tái)上的運(yùn)行情況和測(cè)試目的，然后再挑選符合要求的特定測(cè)試向量。還有一些半導(dǎo)體廠商針對(duì)智能手機(jī)和移動(dòng)通訊市場(chǎng)的需求，將RISC微處理器和 DSP集成在一個(gè)芯片上，如 TI 的OMAP。 ANSI C是當(dāng)前嵌入式領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)編程語(yǔ)言，隨著嵌入式微處理器性能的提高，面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言也將被采用并會(huì)逐漸成為主流，一些編譯器供應(yīng)商已經(jīng)開始著手解決代碼密度問(wèn)題。一般的嵌入式微處理器都有三種運(yùn)行模式：運(yùn)行模式（operational）；待機(jī)模式（ standby or power down）；停機(jī)模式（ and clockoff）。1 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)例開發(fā) — 基于 32位微處理器與實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 第三講 ARM嵌入式微處理器體系結(jié)構(gòu) 北京航空航天大學(xué) 機(jī)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(jié)構(gòu)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(píng)測(cè)指標(biāo)是 MIPS/W； ? 代碼存儲(chǔ)密度。） 5 嵌入式處理器評(píng)價(jià)指標(biāo)（ 2） ? 集成度。 6 嵌入式處理器的基本結(jié)構(gòu)（ 1） ? 微處理器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，通常由 3大部分組成：控制單元、算術(shù)邏輯單元和寄存器。 ? MIPS測(cè)試基準(zhǔn)。 ? EEMBC。 ? 1990年 ARM公司另外組建了一個(gè)名為 “ Advanced RISC Machines” 的公司，專門從事 ARM系列微處理器的開發(fā)。 ? 應(yīng)用方案非常靈活：由于 ARM公司只是提供了一個(gè)高效精簡(jiǎn)的核心，各半導(dǎo)體廠商可根據(jù)自身需求進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計(jì)，架構(gòu)靈活簡(jiǎn)便、擴(kuò)展力很強(qiáng)。 ARM處理器系列提供的解決方案包括： ? 在無(wú)線、消費(fèi)電子和圖像應(yīng)用方面的開放平臺(tái)； ? 存儲(chǔ)、自動(dòng)化、工業(yè)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)； ? 智能卡和 SIM卡的安全應(yīng)用。 MMU適用于支持多任務(wù)的復(fù)雜操作系統(tǒng)平臺(tái)。 為調(diào)試方便，建議數(shù)據(jù)接口能夠讀寫指令存儲(chǔ)器。 SecurCore SC100：第一個(gè) 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(shù)的高級(jí)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(wù)、銀行、網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)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(zhǎng)的 Java卡平臺(tái)提供 Java加速功能； 53 ARM處理器結(jié)構(gòu)綜述（四） Cortex CortexA：面向應(yīng)用的微處理器，針對(duì)復(fù)雜操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序設(shè)計(jì)； CortexR：針對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的嵌入式處理器； CortexM：針對(duì)成本敏感應(yīng)用優(yōu)化的深度嵌入式處理器； ?2022年發(fā)布，提供增強(qiáng)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(chǔ)密度，進(jìn)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(yīng)用于手持設(shè)備和 PDA， 5級(jí)流水線，具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)和指令 Cache，不支持Thumb指令集，目前已停產(chǎn)； ?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(wǎng)絡(luò)處理器和 I/O處理器三類。操作系統(tǒng)在該模式下訪問(wèn)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(quán)任務(wù)可以使用這個(gè)模式訪問(wèn)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(shí)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(nèi)容放入 PC，返回程序 A； 78 內(nèi)部寄存器 ? R14寄存器 與異常發(fā)生 異常發(fā)生時(shí)，程序要跳轉(zhuǎn)至異常服務(wù)程序，對(duì)返回地址的處理與子程序調(diào)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(jié)果將是不可預(yù)測(cè)的。 87 內(nèi)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(lái)保存 R15，如果很難做到，那么應(yīng)當(dāng)在程序中計(jì)算出該芯片的偏移量。 82 ? 當(dāng)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(duì)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(duì)齊 ). ? 當(dāng)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(duì)齊 ? 所以 pc值由 bits [31:1]決定 , bits [0] 未定義 (所以指令不能 byte對(duì)齊 ). ? 當(dāng)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(shí)際訪問(wèn)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(jì)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(wú) SPSR_abt SPSR_abt SPSR_und SPSR_irq SPSR_fiq 程序計(jì)數(shù)器 R15（ PC） 寄存器 R15為 程序計(jì)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(shí)際訪問(wèn)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(jì)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(wú) 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(jié)構(gòu)上有兩個(gè)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(dāng)發(fā)生異常時(shí)，將 R14對(duì)應(yīng)的異常模式版本設(shè)置為異常返回地址（有些異常有一個(gè)小的固定偏移量）。它們所對(duì)應(yīng)的物理寄存器取決于當(dāng)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(shí)際訪問(wèn)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(jì)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(wú) 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(gè)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(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