【正文】 較多的寄存器資源 ， 更方便于異常處理 。 再加上各自的分組寄存器 R1 R14， 足以簡單地處理中斷 。 ? FIQ模式下使用 R8_fiq～ R12_fiq， FIQ處理程序可不必保存和恢復(fù)中斷現(xiàn)場 ， 從而使 FIQ中斷的處理過程更加迅速 。 ——R8～ R12。 第 8講 ARM技術(shù)概述 （ 2） 分組寄存器 R8～ R14 7個 。 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 。 在所有模式下 ， 它們每一個訪問的都是同一個物理寄存器 ， 是 真正在每種狀態(tài)下都統(tǒng)一的通用寄存器 。 第 8講 ARM技術(shù)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） 。 在異常模式下 ， 它們將代替用戶或系統(tǒng)模式下使用的部分寄存器 。 ?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 。 除了系統(tǒng)模式和用戶模式具有完全相同的一組寄存器外 ， 其它每種模式都有一組相應(yīng)的寄存器組 。 每種處理模式使用的是與自己模式對應(yīng)的不同寄存器組 ， 下圖列出了每種模式下可見的寄存器 。 ARM處理器在任一時刻只能工作在 7種模式中的一種和 2種狀態(tài)中的一種 ， 因此程序員可操作的寄存器因工作狀態(tài)和工作模式的不同而不同 。 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(shù)概述 （ 2） 6個狀態(tài)寄存器 6個狀態(tài)寄存器也是 32位的 ， 但目前只使用了其中的 12位 。 第 8講 ARM技術(shù)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 。 這樣操作系統(tǒng)的任務(wù)可訪問所有需要的系統(tǒng)資源 ， 也可使用用戶模式的寄存器組 ，但不使用異常模式下相應(yīng)的寄存器組 ， 從而避免了使用與異常模式有關(guān)的附加寄存器 ， 進而確保當任何異常出現(xiàn)時 ， 不會使任務(wù)的狀態(tài)不可靠或被破壞 。 系統(tǒng)模式 僅在 ARM體系結(jié)構(gòu) V4以上版本存在 。 在每一種異常模式中 ， 都有某些附加的影子寄存器組 （ 表中下劃線 ） ， 供相應(yīng)的異常處理程序使用 。 異常模式 主要用于處理中斷和異常 。 特權(quán)模式中除系統(tǒng)模式外的 5種模式又稱為異常模式 ， 即 FIQ（ Fast Interrupt Request） 、 IRQ（ Interrupt Request） 、SVC （ Supervisor ） 、 中止 （ Abort ） 、 未定義（ Undefined） 。 除用戶模式外的其它 6種模式稱為特權(quán)模式 。 在軟件控制 、 外部中斷或異常處理情況下 ， 可引起處理器工作模式的改變 。 第 8講 ARM技術(shù)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 0時 ， 執(zhí)行 “ BX Rm“指令進入 ARM狀態(tài) 。 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) 。 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； ? ARM指令集和 Thumb指令集都有相應(yīng)的狀態(tài)切換命令； ? ARM處理器在開始執(zhí)行代碼時 ， 只能處于 ARM狀態(tài) 。 第 8講 ARM技術(shù)概述 ARM處理器工作狀態(tài) 自從 ARM7TDMI核產(chǎn)生以后 ， 體系結(jié)構(gòu)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 。 獨立的 2套指令集也使得解碼邏輯極其簡單 ， 從而維持了較小的硅片面積 ， 保證了領(lǐng)先的 “ 低功耗 、 高性能 、 小體積 ” 的技術(shù)要求 ， 滿足了對嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計需求 。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(shè)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 。 ? 支持 Thumb的 ARM體系結(jié)構(gòu)的處理器狀態(tài)可方便地切換 、 運行到 Thumb狀態(tài) ， 在該狀態(tài)下指令集是 16位的 Thumb指令集 。 ? 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(shù)概述 Thumb技術(shù) ? Thumb是 ARM體系結(jié)構(gòu)的擴展 ， 它有 36條從標準 32位 ARM指令集中抽出來的指令格式 ， 可重新編成 16位的操作碼 ， 是 ARM指令寬度的一半 ， 從而提高代碼密度 。 第 8講 ARM技術(shù)概述 （ 4） XScale系列核 Intel XScale系列處理器核基于 ARMV5TE體系結(jié)構(gòu) ， 提供了從手持互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備到互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)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 。 （ 2） StrongARM處理器核 采用 5級流水線 ， 實現(xiàn)全旁路 （ 寄存器前推 ） 和硬件互鎖 。 ? 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 。 第 8講 ARM技術(shù)概述 （ 1） StrongARM的技術(shù)特點 ? 具有寄存器前推的 5級流水線； ? 除 64位乘法 、 多寄存器傳送和存儲器 /寄存器交換指令外 ， 其它所有指令均是單周期指令； ? 16KB、 32路相連的指令 CACHE， 每行 32字節(jié)； ? 16KB、 32路相連的寫回式數(shù)據(jù) CACHE， 每行 32字節(jié)； ? 分開的 32數(shù)據(jù)項的指令和數(shù)據(jù)地址變換后備緩沖器； ? 8數(shù)據(jù)項的寫緩沖器 ， 每個數(shù)據(jù)項 16字節(jié)； ? 低功耗的偽靜態(tài)操作； ? 極具特色乘法器 。 1998年 Intel公司接管 Digital半導(dǎo)體公司到現(xiàn)在 ， 采用了同樣的技術(shù) ， 并且進一步考慮了功耗效率 ， 設(shè)計了 StrongARM SA110，成為高性能嵌入式微處理器設(shè)計的里程碑 。 第 8講 ARM技術(shù)概述 StrongARM和 XScale系列核 1995年 ， ARM、 Apple、 和 DEC公司聯(lián)合開發(fā)了一種應(yīng)用于 PDA的高性能 、 低功耗 、 基于 ARM體系結(jié)構(gòu)的 StrongARM微處理器 。 任何降低 CPI的方法都必須考慮存儲器的帶寬 。 （ 2） 降低 CPI。 ARM核可支持的最高時鐘頻率是由任意流水線級最慢的關(guān)鍵邏輯路徑?jīng)Q定的 。 由于 ARM9TDMI的流水線已相當優(yōu)化 ， 因此 ARM10TDMI不采用以芯片面積資源和功耗這些 ARM核的特點為代價的超標量執(zhí)行這類非常復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu)來改善性能 。 第 8講 ARM技術(shù)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 。 在讀 /寫數(shù)據(jù)存儲器時不能同時進行取指令操作 。 在 ARM9TDMI的流水線中多出的 “ 存儲器 ” 級在 ARM7TDMI中沒有直接的對應(yīng)級 ， ARM7TDMI由中斷流水線附加的 “ 執(zhí)行 ”周期來執(zhí)行 。 第 8講 ARM技術(shù)概述 （ 2） Thumb解碼和存儲器讀 /寫 ARM7TDMI實現(xiàn) Thumb指令集的方法是使用 ARM7流水線中的譯碼級 ， 比較有足夠的時間將 Thumb指令 “ 解壓縮 ” 為 ARM指令 。 （ 1） ARM9TDMI的技術(shù)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(shè)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 。 在相同工藝條件下 ， ARM9TDMI的性能近似為 ARM7TDMI的 2倍 。 ARM7TDMI的具體含義是： ARM7 32位 ARM體系結(jié)構(gòu) 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 。 ARM7TDMI是 ARM公司最早為業(yè)界普遍認可且得到了廣泛應(yīng)用的處理器核 ， 特別是在手機和 PDA中 ， 目前處最低端 。 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(guān)的功能模塊 ， 如Cache、 MMU或 AMBA接口 ， 統(tǒng)稱 CPU核 。 SIMD變種用字符 S表示 。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 。 第 8講 ARM技術(shù)概述 （ 5） 多媒體擴展功能 （ SIMD變種 ） ARM媒體功能擴展 SIMD技術(shù)極大地提高了嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的音頻和視頻處理能力 （ 4倍 ） 。 Jazelle技術(shù)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 。 Jazelle技術(shù)使得 Java代碼