【正文】 電源域基于架構(gòu)的軟件控制嵌套矢量中斷控制器(NVIC)低延遲、低抖動(dòng)中斷響應(yīng)不需要匯編編程以純C 語(yǔ)言編寫的中斷服務(wù)例程工具和RTOS 支持廣泛的第三方工具支持Cortex 微控制器軟件接口標(biāo)準(zhǔn)(CMSIS)最大限度地增加軟件成果重用CoreSight調(diào)試和跟蹤JTAG 或2 針串行線調(diào)試(SWD)連接支持多處理器支持實(shí)時(shí)跟蹤(10)SecurCore系列微處理器l 為安全要求較高應(yīng)用設(shè)計(jì)。智能卡n SIM、ID、銀行業(yè)、付費(fèi)電視、公共交通、電子政務(wù) ARM處理器模式(1)32位ARM處理器工作狀態(tài)32位ARM處理器有三種工作狀態(tài) l ARM狀態(tài)。對(duì)應(yīng)32位ARM指令集 l Thumb狀態(tài)。對(duì)應(yīng)16位Thumb指令集 l Jazelle狀態(tài)。對(duì)應(yīng)8位的Jazelle指令集用于在處理器指令層次對(duì)JAVA加速只有進(jìn)入特定的狀態(tài)，相應(yīng)的指令集才有效。CPSR的J(Jazelle)和T(Thumb)位反映程序的狀態(tài)。Thumb2 l 與現(xiàn)有 ARM 和 Thumb 解決方案向后兼容，同時(shí)擴(kuò)展了 Thumb 指令集的可用功能； l 使用少于 31% 的內(nèi)存以降低系統(tǒng)成本； l 提供比現(xiàn)有高密度代碼高出 38% 的性能。(2)64位ARM處理器工作狀態(tài)ARMv8架構(gòu)兩種主要執(zhí)行狀態(tài)：AArch64, AArch32 AArch64：引入了一套新的指令集“A64”專門用于64位處理 AArch32：兼容現(xiàn)有的32位ARM指令集 ARMv8架構(gòu)支持三個(gè)主要指令集A32(或 ARM)：32 位固定長(zhǎng)度指令集T32(Thumb)：以 16 位固定長(zhǎng)度指令集的形式引入，在引入 Thumb2 技術(shù)時(shí)增強(qiáng)為 16 位和 32 位混合長(zhǎng)度A64：提供與 ARM 和 Thumb 指令集類似功能的64位固定長(zhǎng)度指令集(3)ARM處理器運(yùn)行模式l 用戶模式(usr)：ARM處理器正常的程序執(zhí)行狀態(tài)。l 快速中斷模式(fiq)：用于高速數(shù)據(jù)傳輸或通道處理 l 外部中斷模式(irq)：用于通用的中斷處理。l 管理模式(svc)：操作系統(tǒng)使用的保護(hù)模式。l 數(shù)據(jù)訪問(wèn)終止模式(abt)：當(dāng)數(shù)據(jù)或指令預(yù)取終止時(shí)進(jìn)入該模式，可用于虛擬存儲(chǔ)及存儲(chǔ)保護(hù)。l 系統(tǒng)模式(sys)：運(yùn)行具有特權(quán)的操作系統(tǒng)任務(wù)。l 未定義指令中止模式(und)：當(dāng)未定義的指令執(zhí)行時(shí)進(jìn)入該模式，可用于支持硬件協(xié)處理器的軟件仿真。運(yùn)行模式可通過(guò)軟件改變，也可通過(guò)外部中斷或異常處理改變。用戶模式之外的模式稱為非用戶模式或特權(quán)模式。除用戶模式和系統(tǒng)模式之外的5種稱為異常模式，常用于處理中斷和異常、訪問(wèn)受保護(hù)的系統(tǒng)資源等情況。 ARM體系的異常處理(1)ARM體系中3種控制程序執(zhí)行流程的方式： l 順序執(zhí)行 l 跳轉(zhuǎn)分支指令l 異常中斷：處理器暫時(shí)中斷當(dāng)前數(shù)據(jù)流的現(xiàn)象。(2)對(duì)異常的響應(yīng)。ARM處理器執(zhí)行完當(dāng)前指令后： l 進(jìn)入與特定的異常相應(yīng)的操作模式；l 將引起異常指令的下一條指令的地址保存到新模式的R14中；l 將CSPR原值保存到新模式的SPSR中；l 通過(guò)設(shè)置CSPR的第7位來(lái)禁止IRQ。如果為FIQ中斷，則還要設(shè)置CSPR的第6位來(lái)禁止FIQ；l 給PC強(qiáng)制賦向量地址值。(3)中斷向量表指定了異常中斷及其處理程序的對(duì)應(yīng)關(guān)系，它通常存放在存儲(chǔ)地址的低端。大小為32字節(jié)，其中每個(gè)異常中斷占據(jù)4字節(jié)空間，用于存放一個(gè)跳轉(zhuǎn)指令或者一個(gè)向PC寄存器中賦值的指令。(4)異常優(yōu)先級(jí)：當(dāng)幾個(gè)異常中斷同時(shí)發(fā)生時(shí)，就必須按照一定的次序來(lái)處理這些異常中斷。(5)從異常返回將連接寄存器LR的值減去相應(yīng)偏移量后送到PC中； 將SPSR復(fù)制回CPSR中；若在進(jìn)入異常處理時(shí)設(shè)置了中斷禁止位，則要清除。通過(guò)普通指令控制PC返回軟件中斷的返回指令 MOVS R15, R14。將鏈接寄存器內(nèi)容移入PC并轉(zhuǎn)換模式 IRQ，F(xiàn)IQ和預(yù)取異常終止中斷的返回指令 SUBS R15, R14, 4 數(shù)據(jù)終止異常的返回指令 SUBS R15, R14, 8。異常在導(dǎo)致異常的指令的下一條指令后產(chǎn)生 ARM內(nèi)部寄存器(1)寄存器結(jié)構(gòu)32位ARM有31個(gè)32位通用寄存器，6個(gè)狀態(tài)寄存器。通用寄存器可用來(lái)保存數(shù)據(jù)和地址信息，用R為前綴加寄存器序號(hào)表示15個(gè)通用寄存器（R0~R14）、一個(gè)或兩個(gè)狀態(tài)寄存器及程序計(jì)數(shù)器可在任意時(shí)間和處理器模式下被訪問(wèn)，有些處理器模式擁有自身獨(dú)立的寄存器(2)通用寄存器分成三類：R0~R7：未分組寄存器。每個(gè)未分組寄存器在所有的處理器模式下都表示同一個(gè)物理寄存器。R8~R14：分組寄存器。每個(gè)分組寄存器與一個(gè)用戶模式的寄存器對(duì)應(yīng)。R15：程序計(jì)數(shù)器PC。分組寄存器R8~R14可分為兩組：R8~R12：每個(gè)寄存器對(duì)應(yīng)兩組不同的物理寄存器，一組是FIQ模式下的，記為R8_fiq~R12_fiq, 另一組是除FIQ模式外的：R8_usr~R12_usr。R13~R14：分別對(duì)應(yīng)6個(gè)不同的物理寄存器。用戶模式和系統(tǒng)模式共用一個(gè)寄存器，另外5個(gè)對(duì)應(yīng)其余5種。R13 _ R14 _可以是以下幾種模式之一：usr、svc、abt、und、irq和fiq。R13：被稱為堆棧指針SP，但沒(méi)有任何指令強(qiáng)制性使用R13作為堆棧指針R14又被稱為鏈接寄存器LR(Link Register)。當(dāng)調(diào)用子程序時(shí)，返回地址被自動(dòng)保存到R14。由于ARM采用了多級(jí)流水線技術(shù)，所以當(dāng)正常讀取PC值時(shí)，該值為當(dāng)前指令地址值加8，或是加12。 ARM體系的存儲(chǔ)系統(tǒng)(1)地址空間將存儲(chǔ)器看作是從零地址開始的字節(jié)的線性組合 03字節(jié)：第1個(gè)存儲(chǔ)的字?jǐn)?shù)據(jù) 47字節(jié)：第1個(gè)存儲(chǔ)的字?jǐn)?shù)據(jù) 依次排列(2)存儲(chǔ)器格式 大端格式小端格式(3)存儲(chǔ)器訪問(wèn)對(duì)準(zhǔn)無(wú)論取指還是內(nèi)存訪問(wèn)都以字、半字或字節(jié)對(duì)準(zhǔn)訪問(wèn) a)非對(duì)齊的指令預(yù)取操作ARM狀態(tài)：將一個(gè)非對(duì)齊地址寫入PC，數(shù)據(jù)的第0位和第1位被忽略，PC的bit[1:0]為0 Thumb狀態(tài)：數(shù)據(jù)的第0位被忽略，PC的bit[0]為0 b)非對(duì)齊地址內(nèi)存的訪問(wèn)操作（LOAD/STORE操作）執(zhí)行結(jié)果不可預(yù)知忽略字單元地址低兩位的值，半字單元最低位的值（分別對(duì)應(yīng)訪問(wèn)字和半字）在LDR和SWP指令中，對(duì)存儲(chǔ)器訪問(wèn)忽略造成地址不對(duì)齊的低地址位，然后使用這些低地址位控制裝載數(shù)據(jù)的循環(huán) ARM指令系統(tǒng)及程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教學(xué)目的：使學(xué)生對(duì)ARM指令系統(tǒng)及程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)有一定的了解。教學(xué)重點(diǎn)：ARM指令系統(tǒng)。教學(xué)難點(diǎn)：ARM程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)。教學(xué)方法與教學(xué)手段：課堂講授，多媒體教學(xué)。教學(xué)時(shí)間：4課時(shí)。教學(xué)內(nèi)容 ARM尋址方式(1)尋址方式處理器根據(jù)指令中給出的地址信息尋找物理地址的方式。尋找操作數(shù)或操作數(shù)地址的方式。(2)立即尋址也叫立即數(shù)尋址，操作數(shù)本身在指令中給出，該操作數(shù)被稱為立即數(shù)。例如： ADD R0, R0, 1。R0223。R0+1 立即數(shù)須以“”為前綴，對(duì)于十六進(jìn)制表示的立即數(shù)，還需在“”后加上“0x”或“amp?！薄?3)寄存器尋址操作數(shù)存在寄存器中。例如： ADD R0, R1, R2。R0223。R1+R2(4)寄存器間接尋址以寄存器的值作為操作數(shù)地址。例如： ADD R0, R1, [R2]。R0 223。 R1+[R2](5)基址變址尋址a)基址加偏移的尋址方式將寄存器內(nèi)容與指令中給出的地址偏移量相加，得到操作數(shù)的有效地址。如： LDR R0, [R1, 4]。R0 223。 [R1+4]前變址：基址加變址作為操作數(shù)地址。后變址：基址作為操作數(shù)的地址，傳送后自動(dòng)更新基址寄存器的值。b)基址加索引的尋址方式將基址寄存器的值與索引寄存器的值相加，形成操作數(shù)的有效地址。例如： LDR R0, [R1, R2]。R0 223。 [R1+R2] c)多寄存器尋址一條指令可完成多個(gè)（最多16個(gè)）寄存器值的傳送。例如：LDMIA R0, {R1, R2, R4}。R1 223。 [R0] 22。R2 223。 [R0+4]。R4 223。 [R0+8](6)寄存器移位尋址操作數(shù)為寄存器中數(shù)做相應(yīng)的移位而得到 例如：ARM中的移位或循環(huán)移位操作： l LSL：邏輯左移（Logical Shift Left）l LSR：邏輯右移（Logical Shift Right）ADDR0, R1, R2, LSL 3。R0223。R1+8R2 l ASR：算術(shù)右移（Arithmetic Shift Right）。移位過(guò)程中保持符號(hào)位不變，若源操作數(shù)為正數(shù)，則字的高端空出的位補(bǔ)0。若源操作數(shù)為負(fù)數(shù)，則字的高端空出的位補(bǔ)1。l ROR：循環(huán)右移（Rotate Right）。從字的最低端移出的位依次填入字的高端空出的位。l RRX：擴(kuò)展的循環(huán)右移（Rotate Right Extended）。操作數(shù)向右移一位，左側(cè)空位由狀態(tài)寄存器C位填充。當(dāng)移位的類型為RRX時(shí)，無(wú)需指定移位的位數(shù)，其它的則須指定移位的位數(shù)。(7)相對(duì)尋址以PC當(dāng)前值作為基地址，指令中的地址標(biāo)號(hào)作為位移量，兩者相加后得到操作數(shù)的有效地址。例如：BLNEXTMOV ??PC, LR。從子程序返回 NEXT。跳轉(zhuǎn)至子程序 NEXT ??(8)堆棧尋址a)堆棧：按先進(jìn)后出(FILO)的方式工作，使用堆棧指針(Stack Pointer, SP)指示當(dāng)前操作位置。b)根據(jù)棧指針的指向位置可將堆棧分為l 滿堆棧：SP指向最后壓入堆棧的數(shù)據(jù)。l 空堆棧：SP指向下個(gè)將放入數(shù)據(jù)空位置c)根據(jù)堆棧的生成方式可將堆棧分為l 遞增堆棧(Ascending Stack)：堆棧由低地址向高地址生成。l 遞減堆棧(Descending Stack)：由高地址向低地址生成。d)ARM支持四種類型堆棧工作方式滿遞增堆棧：SP指向最后壓入的數(shù)據(jù)，且由低地址向高地址生成。滿遞減堆棧：SP指向最后壓入的數(shù)據(jù)，且由高地址向低地址生產(chǎn)。空遞增堆棧：SP指向下個(gè)將放入數(shù)據(jù)的空位置，且由低地址向高地址生成?？者f減堆棧：SP指向下個(gè)將要放入數(shù)據(jù)的空位置，且由高地址向低地址生成。 ARM指令集(1)ARM指令集分類 加載/存儲(chǔ)指令數(shù)據(jù)處理指令 分支指令狀態(tài)寄存器訪問(wèn)指令 異常/中斷指令 協(xié)處理器指令(2)ARM指令的特點(diǎn) 所有指令都是32bit；大多數(shù)指令都在單周期內(nèi)完成； 所有指令都可以條件執(zhí)行； load/store體系結(jié)構(gòu)；指令集可以通過(guò)協(xié)處理器擴(kuò)展。(3)ARM指令的格式(4)ARM指令的條件執(zhí)行所有ARM指令都可包含一個(gè)可選的條件碼，只有當(dāng)CPSR中條件標(biāo)志位滿足指定條件時(shí)，指令才會(huì)被執(zhí)行。否則以NOP指令通過(guò)流水線。(5)加載/存儲(chǔ)指令Load：將內(nèi)存中數(shù)據(jù)裝載到寄存器 Store：將寄存器中的數(shù)據(jù)存入內(nèi)存 a)單寄存器傳輸指令{} {B} Rd, addressing1 {} SB | H | SH Rd, addressing2 {} {B} Rd, LABEL LDR/STR指令：寄存器在前，地址在后 LDM/STM指令：地址在前，寄存器在后LABEL：相對(duì)PC的尋址方式。編譯器在匯編時(shí)，會(huì)將標(biāo)號(hào)LABEL匯編成PC的偏移量存入該指令的立即數(shù)字段。B: Byte；S: Sign；H: Half LDR/STR：讀/寫一個(gè)32bit字到/從一個(gè)32位寄存器，要求讀/寫地址字對(duì)齊。LDRB：內(nèi)存8bit字節(jié)223。32bit寄存器；不要求地址對(duì)齊，寄存器高24位清零。STRB：寄存器低8位223。內(nèi)存的某個(gè)地址；不要求地址對(duì)齊。LDRH：16bit半字223。 32bit寄存器；要求地址半字對(duì)齊，寄存器的高16bit清零。STRH：寄存器低16bit223。內(nèi)存；要求地址半字對(duì)齊。LDRSH：有符號(hào)16bit半字223。32bit寄存器中；要求地址半字對(duì)齊，寄存器高16bit根據(jù)符號(hào)位擴(kuò)展。LDRSB：有符號(hào)8bit字節(jié)223。32bit寄存器中；不要求地址對(duì)齊，寄存器高24bit根據(jù)符號(hào)位擴(kuò)展。“數(shù)據(jù)”一列指的是這條指令所訪問(wèn)的存儲(chǔ)單元“基址寄存器”一列的內(nèi)容是指執(zhí)行指令之后“基址寄存器”的內(nèi)容 b)多寄存器傳輸指令{} Rn{!}, {^} LDM / STM：從由基址寄存器指示的一片連續(xù)存儲(chǔ)器到寄存器列表所指示的多個(gè)寄存器之間傳送數(shù)據(jù)。!：表示執(zhí)行完操作后將變化之后的地址值寫入基址寄存器^：對(duì)于LDM操作，如恢復(fù)的寄存器中含有PC(R15)寄存器，則指令執(zhí)行的同時(shí)CPU自動(dòng)將SPSR拷貝到CPSR中，例如：LDMFD {R0R12, LR, PC}^ 數(shù)據(jù)的傳送發(fā)生在User用戶模式下的寄存器，而非當(dāng)前模式寄存器，例如：LDMDB SP, {R0LR}^ 例如：STMIA R0!, {R1R5}。以R0為地址指針，將R1R5保存到內(nèi)存，指針向上移動(dòng)c)交換指令SWP {B} {} Rd, Rm, [Rn] SWP：字交換；SWPB：字節(jié)交換 Rd 223。 [Rn], [Rn] 223。 Rm 例如：SWP R1, R2, [R3]。R1223。[R3] ,[R3]223。 R2 SWP R1, R1, [R2]。R1與[R2]內(nèi)容互換(6)數(shù)據(jù)處理指令a)數(shù)據(jù)傳送指令MOV {cond} {S} Rd, Operand 例如： MOV R1, R0 MOVEQ PC, R14。將R14值傳到PC b)數(shù)據(jù)取反傳送指令 MVN {cond} {S} Rd, Operand 例如：MVN R1, 2。將立即數(shù)2取反送至R1 c)算術(shù)運(yùn)算指令A(yù)DD、ADC ADD|ADC {cond} {S} Rd, Oper1, Oper2 例如： ADDS ADCS ADCS ADC R0, R4, R8 R1, R5, R9。加低端的字。帶進(jìn)位加第二字R2, R6, R10。帶進(jìn)位加第三字 R3, R7, R11。帶進(jìn)位加第四字可實(shí)現(xiàn) 128位加法 SUB：減法指令SUB {cond} {S} Rd, Oper1, Oper2 SBC：帶借位減法指令SBC {cond} {S} Rd,