【文章內(nèi)容簡介】 d Microcontroller Bus Architecture）是 ARM公司公布的總線標(biāo)準(zhǔn)，先進(jìn)的 AMBA規(guī)范定義了三種總線： 2021/6/14 AHB總線 （ Advanced Highperformance Bus）：用于連接高性能系統(tǒng)模塊。它支持突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸方式及單個(gè)數(shù)據(jù)傳輸方式，所有時(shí)序 參考同一個(gè)時(shí)鐘沿。 ASB總線 （ Advanced System Bus）：用于連接高性能系統(tǒng)模塊，它支持突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸模式。 APB總線 （ Advance Peripheral Bus）：是一個(gè)簡單接口支持低性能的外圍接口。 2021/6/14 ?從編程的角度看， ARM微處理器的工作狀態(tài)一般有兩種，并可在兩種狀態(tài)之間切換： ?ARM狀態(tài)，此時(shí)處理器執(zhí)行 32位的字對(duì)齊的 ARM指令； ?Thumb狀態(tài)，此時(shí)處理器執(zhí)行 16位的、半字對(duì)齊的Thumb指令。 ARM處理器有兩種工作狀態(tài)和 7種工作模式。 2． 6 ARM微處理器的工作狀態(tài)與模式 1. ARM處理器的兩種工作狀態(tài) 2021/6/14 ? THUMB指令是 ARM指令的子集 ?可以相互調(diào)用，只要遵循一定的調(diào)用規(guī)則 ? Thumb指令與 ARM指令的時(shí)間效率和空間效率關(guān)系為 : ? 存儲(chǔ)空間約為 ARM代碼的 60％～ 70％ ? 指令數(shù)比 ARM代碼多約 30％～ 40％ ? 存儲(chǔ)器為 32位時(shí) ARM代碼比 Thumb代碼快約 40％ ? 存儲(chǔ)器為 16位時(shí) Thumb比 ARM代碼快約 40～ 50％ ? 使用 Thumb代碼，存儲(chǔ)器的功耗會(huì)降低約 30％ 2021/6/14 ? ARM指令集和 Thumb指令集均有切換處理器狀態(tài)的指令，并可在兩種工作狀態(tài)之間切換， ? 在開始執(zhí)行代碼時(shí)，應(yīng)該處于 ARM狀態(tài)。 狀態(tài)切換方法 ?兩種狀態(tài)可以切換 程序執(zhí)行過程中，通過執(zhí)行 帶狀態(tài)切換的分支指令 BX，隨時(shí)在兩種工作狀態(tài)之間進(jìn)行切換。并且，處理器工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，并不影響處理器的工作模式和相應(yīng)寄存器中的內(nèi)容。 2021/6/14 進(jìn)入 Thumb狀態(tài) ? 當(dāng)操作數(shù)寄存器的狀態(tài)位（位 0）為 1時(shí)，可以采用執(zhí)行 BX指令的方法，使微處理器從 ARM狀態(tài)切換到Thumb狀態(tài)。此為主動(dòng)切換。 ? 當(dāng)處理器處于 Thumb狀態(tài)時(shí)發(fā)生異常（如 IRQ、 FIQ、Undef、 Abort、 SWI等），則異常處理返回時(shí)，自動(dòng)切換到 Thumb狀態(tài)。此為自動(dòng)切換。 2021/6/14 切換到 ARM狀態(tài) 在處理器進(jìn)行異常處理時(shí)，把 PC指針放入異常模式鏈接寄存器中，并從異常向量地址開始執(zhí)行程序，也可以使處理器切換到 ARM狀態(tài)。 有兩種情況 ARM處理器自動(dòng)切換到 Thumb狀態(tài)。 （ 1）執(zhí)行 BX指令，當(dāng)操作數(shù)寄存器的位 [0]為 0時(shí)，則微處理器從 Thumb狀態(tài)切換到 ARM狀態(tài)。 （ 2）當(dāng)處理器在 Thumb狀態(tài)時(shí)發(fā)生異常（如 IRQ、 FIQ、Undef等），則處理器從 Thumb狀態(tài)自動(dòng)切換到 ARM狀態(tài)進(jìn)行異常處理 2021/6/14 例 : 狀態(tài)切換程序 。從 ARM狀態(tài)切換到 Thumb狀態(tài) LDR R0, =Lable+1 BX R0 。從 Thumb狀態(tài)切換到 ARM狀態(tài) LDR R0, =Lable BX R0 注意： ARM和 Thumb之間狀態(tài)的切換不影響處理器的模式或寄存器的內(nèi)容 。 A RM處理器在開始執(zhí)行代碼時(shí) ， 只能處于ARM狀態(tài) 。 2021/6/14 1）處理器模式 ?用戶模式 (usr)： ARM處理器正常的程序執(zhí)行狀態(tài) ,大部分任務(wù)執(zhí)行在這種模式。 ?快速中斷模式 (fiq)：當(dāng)一個(gè)高優(yōu)先級(jí) (fast)中斷產(chǎn)生時(shí)將會(huì)進(jìn)入這種模式 ,用于高速數(shù)據(jù)傳輸或通道處理 ?外部中斷模式 (irq)： 當(dāng)一個(gè)低優(yōu)先級(jí) (normal)中斷產(chǎn)生時(shí)將會(huì)進(jìn)入這種模式。 用于通用的中斷處理 2. ARM處理器的工作模式 2021/6/14 ?管理模式 (svc)： 當(dāng)復(fù)位或軟中斷指令執(zhí)行時(shí)將會(huì)進(jìn)入這種模式 , 供操作系統(tǒng)使用的一種保護(hù)模式。 ?中止模式 （ abt）： 當(dāng)存取異常時(shí)將會(huì)進(jìn)入這種模式，用于虛擬存儲(chǔ)及存儲(chǔ)保護(hù)。 ?系統(tǒng)模式 （ sys）： 供需要訪問系統(tǒng)資源的操作系統(tǒng)任務(wù)使用， 運(yùn)行具有特權(quán)的操作系統(tǒng)任務(wù) ?未定義模式 （ und）： 當(dāng)執(zhí)行未定義指令時(shí)會(huì)進(jìn)入這種模式 ， 軟件仿真硬件協(xié)處理器。 2021/6/14 2）模式特點(diǎn) （ 1）用戶模式特點(diǎn)： – 應(yīng)用程序不能夠訪問受操作系統(tǒng)保護(hù)的系統(tǒng)資源。 – 應(yīng)用程序不能進(jìn)行處理器模式的切換。 （ 2）系統(tǒng)模式特點(diǎn)： 不屬于異常模式，不是通過異常進(jìn)入的。系統(tǒng)模式屬于特權(quán)模式，可以訪問所有的系統(tǒng)資源，也可以直接進(jìn)行模式的切換。它主要供操作系統(tǒng)使用。 2021/6/14 （ 3）特權(quán)模式及其特點(diǎn)： 特權(quán)模式： 除用戶模式之外的工作模式又稱為特權(quán)模式 特點(diǎn)： – 應(yīng)用程序可以訪問所有的系統(tǒng)資源 – 可以任意地進(jìn)行處理器模式的切換 2021/6/14 （ 4）異常模式及其特點(diǎn)： 異常模式： 除用戶模式、系統(tǒng)模式之外的五種模式稱為異常模式。 特點(diǎn)：以各自的中斷或異常方式進(jìn)入，并且處理各自的中斷或異常。 2021/6/14 對(duì)管理模式 (svc)進(jìn)入方式和處理內(nèi)容有 : ①系統(tǒng)上電復(fù)位后進(jìn)入管理模式，運(yùn)行系統(tǒng)初始化程序，如中斷允許 /禁止，主時(shí)鐘設(shè)置，SDRAM配置，各個(gè)功能模塊初始化等。 ②當(dāng)執(zhí)行軟件中斷指令 SWI時(shí)，進(jìn)入管理模式。 2021/6/14 3）模式切換 ?處理器模式可以通過軟件進(jìn)行切換，也可以通過外部中斷或者異常處理過程進(jìn)行切換。 ?當(dāng)應(yīng)用程序發(fā)生異常中斷時(shí)，處理器進(jìn)入相應(yīng)的異常模式。在每一種異常模式下都有一組寄存器，供相應(yīng)的異常處理程序使用，這樣就可以保證在進(jìn)入異常模式時(shí)，用戶模式下的寄存器不被破壞。 2021/6/14 ? 處理器模式的切換方式： – 軟件控制進(jìn)行切換。 – 通過外部中斷和異常進(jìn)行切換 處理器啟動(dòng)時(shí)的模式轉(zhuǎn)換圖 管理模式 (Supervisor) 多種特權(quán) 模式變化 用戶程序的 運(yùn)行模式 復(fù)位后的缺省模式 主要完成各模式的堆棧設(shè)置，注意不要進(jìn)入用戶模式 一般為用戶模式User 2021/6/14 ?系統(tǒng)模式并不是通過異常進(jìn)入的，它和用戶模式具有完全一樣的寄存器。但是系統(tǒng)模式屬于特權(quán)模式，可以訪問所有的系統(tǒng)資源，也可以直接進(jìn)行處理器模式切換。 2021/6/14 ?系統(tǒng)模式 它主要供操作系統(tǒng)任務(wù)使用 通常操作系統(tǒng)的任務(wù)需要訪問所有的系統(tǒng)資源，同時(shí)該任務(wù)仍然使用用戶模式的寄存器組，而不是使用異常模式下相應(yīng)的寄存器組，這樣可以保證當(dāng)異常中斷發(fā)生時(shí)任務(wù)狀態(tài)不被破壞。 2021/6/14 ARM體系結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器格式 1. ARM處理器支持以下 6種數(shù)據(jù)類型： – 8位 有符號(hào)和無符號(hào)字節(jié) (Byte)。 – 16位 有符號(hào)和無符號(hào)半字 (Halfword) ? 它們必須以兩字節(jié)的邊界對(duì)齊 (半字對(duì)齊 )。 – 32位 有符號(hào)和無符號(hào)字 (word) ? 它們必須以 4字節(jié)的邊界對(duì)齊 (字對(duì)齊 )。 2021/6/14 – 字對(duì)齊 ：字單元地址的低兩位 A1A0=0b00。即地址末位為 0x0, 0x4, 0x8, 0xc。 – 半字對(duì)齊 ：半字單元地址的最低位 A0=0b0 (地址末位為0x0,0x2,0x4,0x6,0x8,0xa,0xc,0xe)。 2021/6/14 ◆ 對(duì)于指令 ， ARM指令系統(tǒng)分為 32位 ARM指令集 和 16位的 Thumb指令集 ， 在存儲(chǔ)時(shí)分別以 32位和 16位的兩種不同長度存儲(chǔ) 。 ◆ 對(duì)于數(shù)據(jù) ， ARM支持對(duì) 32位字?jǐn)?shù)據(jù) ， 16位半字?jǐn)?shù)據(jù) ， 8位字節(jié)數(shù)據(jù) 操作 。 因此數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可以存儲(chǔ) 32位 ， 16位 ， 8位三種不同長度數(shù)據(jù) 。 2021/6/14 在 ARM內(nèi)部 ， 所有操作都面向 32位的操作數(shù) ， 只有數(shù)據(jù)傳送指令支持較短的字節(jié)和半字的數(shù)據(jù)類型 。 當(dāng)從存儲(chǔ)器讀入一個(gè)字節(jié)或半字時(shí) ， 根據(jù)其數(shù)據(jù)類型將其擴(kuò)展到 32位 。 2021/6/14 2. ARM存儲(chǔ)器組織 ARM存儲(chǔ)器以 8位為一個(gè)單元存儲(chǔ)數(shù)據(jù) (一個(gè)字節(jié) )，每個(gè)存儲(chǔ)單元分配一個(gè)存儲(chǔ)地址。 ARM將存儲(chǔ)器看作是從零地址開始的字節(jié)的線性組合。作為 32位的微處理器， ARM體系結(jié)構(gòu)所支持的最大尋址空間為 4GB（ 232字節(jié)）。 2021/6/14 從零字節(jié)到三字節(jié)放置第一個(gè)存儲(chǔ)的 字 數(shù)據(jù)，從第四個(gè)字節(jié)到第七個(gè)字節(jié)放置第二個(gè)存儲(chǔ)的 字?jǐn)?shù)據(jù)，依次排列。 32位的字?jǐn)?shù)據(jù)要使用 4個(gè)地址單元， 16位半數(shù)據(jù)要使用 2個(gè)地址單元。 這樣，就存在一個(gè)所存儲(chǔ)的字或半字?jǐn)?shù)據(jù)的排列順序問題。 ARM體系結(jié)構(gòu)可以用兩種方法存儲(chǔ)字?jǐn)?shù)據(jù)，稱為 大端格式 和 小端格式 。 2021/6/14 ? 大端格式 (bigendian)： 字?jǐn)?shù)據(jù)的高字節(jié)存儲(chǔ)在低地址中，而字?jǐn)?shù)據(jù)的低字節(jié)則存放在高地址中。 ? 小端格式 (lowendian)： 與大端存儲(chǔ)格式相反。低地址中存放的是字?jǐn)?shù)據(jù)的低字節(jié)，高地址存放的是字?jǐn)?shù)據(jù)的高字節(jié)。 缺省設(shè)置為小端格式。 ARM存儲(chǔ)器格式 2021/6/14 3 .ARM存儲(chǔ)器層次 微處理器希望 存儲(chǔ)器容量大、速度快。但容量大者速度慢；速度快者容量小。解決方法是 構(gòu)建一個(gè)由多級(jí)存儲(chǔ)器組成的復(fù)合存儲(chǔ)器系統(tǒng)。 兩級(jí)存儲(chǔ)器方案 一般包括： 一個(gè)容量小但速度快的 從存儲(chǔ)器 一個(gè)容量大但速度慢的 主存儲(chǔ)器 宏觀上看這個(gè)存儲(chǔ)器系統(tǒng)像一個(gè)即大又快的存儲(chǔ)器。這個(gè)容量小但速度快的元件是 Cache，它自動(dòng)地保存處理器經(jīng)常用到的指令和數(shù)據(jù)的拷貝。 2021/6/14 多級(jí)存儲(chǔ)器系統(tǒng) 寄存器組 —— 訪問時(shí)間約為幾個(gè) ns。 片上 RAM —— 與片外 RAM比速度快、功耗小、 容量小。讀寫時(shí)間約為幾個(gè) ns。 片上 Cache —— 8— 32KB,訪問時(shí)間約為十幾個(gè) ns。 主存儲(chǔ)器 —— 一般為幾