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1、嵌入式系统结构与操作系统胡威武汉科技大学计算机学院1.ARM简介2.ARM7TDMI3.ARM的模块、内核和功能框图4.ARM处理器状态5.ARM处理器模式ARM7体系结构6.ARM内部寄存器7.当前程序状态寄存器8.ARM体系的异常、中断及其向量表9.ARM体系的存储系统22.1 ARM简介ARM公司简介 ARM是Advanced RISC Machines的缩写，它是一家微处理器行业的知名企业，该企业设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC（精简指令集）处理器。公司的特点是只设计芯片，而不生产。它将技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和OEM厂商，并提供服务。32.1 ARM简介ARM公
2、司简介将技术授权给其它芯片厂商形成各具特色的ARM芯片.42.1 ARM简介RISC结构特性 RISC是精简指令集计算机的缩写，其目标是设计出在高时钟频率下单周期执行，简单而有效的指令集。ARM内核采用RISC体系结构，因此具有RISC的结构特点：具有大量的通用存储器；独特的装载/保存（load-store）结构；简单的寻址模式;统一和固定长度的指令格式。52.1 ARM简介 为了使ARM能够更好地满足嵌入式应用的需要，ARM体系结构还有以下特点：每条数据处理指令可同时包含算术逻辑单元（ALU）的运算和移位处理，实现ALU和移位器的最大利用；使用地址自增和自减的寻址方式优化程序循环；装载/保存
3、指令对数据的批量传输，实现最大数据吞吐量;大多数指令的条件执行，实现最快速的代码执行。ARM体系结构62.1 ARM简介常用ARM处理器系列 ARM公司开发了很多系列的ARM处理器核，目前最新的系列是Cortex，而ARM6核以及更早的系列已经很罕见了。当前应用比较多的ARM处理器核系列有：ARM7ARM9ARM10EXscaleARM11CortexARM9E72.1 ARM简介ARM Cortex系列简介 基于ARMv7版本的ARM Cortex系列产品由A、R、M三个系列组成，具体分类延续了一直以来ARM面向具体应用设计CPU的思路。ARM CortexA应用处理器（Applicatio
4、n Processor）系列 R实时控制处理（Real Time Control）系列M微控制器（Micro Controller）系列82.1 ARM简介CortexTM-M3处理器简介 该处理器是首款基于ARMv7-M架构的处理器，采用了纯Thumb2指令的执行方式，具有极高的运算能力和中断相应能力。Cortex-M3主要应用于汽车车身系统，工业控制系统和无线网络等对功耗和成本敏感的嵌入式应用领域。目前最便宜的基于该内核的ARM单片机售价为1美元。92.1 ARM简介CortexTM-R4处理器简介 该处理器是首款基于ARMv7架构的高级嵌入式处理器，其主要目标为产量巨大的高级嵌入式应用系
5、统，如硬盘，喷墨式打印机，以及汽车安全系统等等。CortexTM-R4F处理器简介 该处理器在CortexTM-R4处理器的基础上加入了代码错误校正(ECC)技术，浮点运算单元(FPU)以及DMA综合配置的能力，增强了处理器在存储器保护单元、缓存、紧密耦合存储器、DMA访问以及调试方面的能力。102.1 ARM简介CortexTM-A8处理器简介 该处理器是ARM公司所开发的基于ARMv7架构的首款应用级处理器，其特色是运用了可增加代码密度和加强性能的技术、可支持多媒体以及信号处理能力的NEONTM技术、以及能够支持Java和其他文字代码语言的提前和即时编译的JazelleRTC技术。众多先进
6、的技术使其适用于家电以及电子行业等各种高端的应用领域。112.1 ARM简介ARM7系列简介 该系列包括ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、带有高速缓存处理器宏单元的ARM720T和扩充了Jazelle的ARM7EJ-S。该系列处理器提供Thumb 16位压缩指令集和EmbededICE软件调试方式，适用于更大规模的SoC设计中。ARM7系列广泛应用于多媒体和嵌入式设备，包括Internet设备、网络和调制解调器设备，以及移动电话、PDA等无线设备。122.1 ARM简介 该系列包括ARM9TDMI、ARM920T和带有高速缓存处理器宏单元的ARM940T。除了兼容ARM7系列，而且能够更
7、加灵活的设计。ARM9系列主要应用于引擎管理、仪器仪表、安全系统和机顶盒等领域。ARM9系列简介132.1 ARM简介 该系列为含有DSP指令集的综合处理器，包括ARM926EJ-S、带有高速缓存处理器宏单元的ARM966E-S/ARM946E-S。其内核在ARM7处理器内核的基础上使用了Jazelle增强技术，该技术支持一种新的Java操作状态，允许在硬件中执行Java字节码。ARM9E系列主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、存储设备和网络设备等领域。ARM9E系列简介142.1 ARM简介ARM10E系列简介 该系列包括ARM1020E和ARM1020E处理器核，其核
8、心在于使用向量浮点（VFP）单元VFP10提供高性能的浮点解决方案，从而极大提高了处理器的整型和浮点运算性能。可以用于视频游戏机和高性能打印机等场合。152.1 ARM简介Xscale简介 Intel Xscale微控制器则提供全性能、高性价比、低功耗的解决方案，支持16位Thumb指令并集成数字信号处理（DSP）指令。主要应用于手提式通讯和消费电子类设备。161.ARM简介2.ARM7TDMI3.ARM的模块、内核和功能框图4.ARM处理器状态5.ARM处理器模式ARM7体系结构6.ARM内部寄存器7.当前程序状态寄存器8.ARM体系的异常、中断及其向量表9.ARM体系的存储系统17ARM7
9、TDMI-S2.2 ARM7TDMI简介 ARM7TDMI是基于ARM体系结构V4版本的低端ARM核。其弥补了ARM6很难在低于5V电压下稳定工作的不足，还增加了后缀所对应的功能：支持高密度16位的Thumb指令集；支持片上调试；支持64位乘法；支持EmbededICE观察硬件；ARM7TDMI 的可综合（synthesizable）版本（软核），对应用工程师来说其编程模型与ARM7TDMI 一致；注意：“ARM核”并非芯片，ARM核与其它部件如RAM、ROM、片内外设组合在一起才能构成现实的芯片。182.2 ARM7TDMI存储器的字与半字 从偶数地址开始的连续2个字节构成一个半字；以能被4
10、整除的地址开始的连续4个字节构成一个字；ARM指令的长度刚好是一个字，Thumb指令的长度刚好是一个半字。192.2 ARM7TDMI 如果一个数据是从偶地址开始的连续存储，那么它就是半字对齐，否则就是非半字对齐；如果一个数据是以能被4整除的地址开始的连续存储，那么它就是字对齐，否则就是非字对齐。方式半字对齐字对齐地址0 x40020 x40040 x40040 x4008特征Bit0=0其他位为任意值Bit1=0,Bit0=0其他位为任意值存储器的存储方式202.2 ARM7TDMI三级流水线 ARM处理器使用流水线来增加处理器指令流的速度，这样可使几个操作同时进行，并使处理和存储器系统连续
11、操作，能提供0.9MIPS/MHz的指令执行速度。ARM7TDMI的流水线分3级，分别为：取指译码执行取指译码执行处理指令并将结果写回寄存器识别将要被执行的指令从寄存器装载一条指令 正常操作过程中，在执行一条指令的同时对下一条(第二条)指令进行译码，并将第三条指令从存储器中取出。在ARM状态下，流水线上各指令的地址为：在Thumb状态下，流水线上各指令的地址为：PCPC-4PC-8PCPC-2PC-4212.2 ARM7TDMI三级流水线结构的指令执行顺序PC指令1指令2指令3指令4程序存储器PC-4PC-8PC+4周期1周期2周期3周期4周期5周期6取指 译码 执行取指 译码 执行取指 译码
12、 执行取指 译码 执行周期周期2周期周期1周期周期3周期周期4 在第1个周期，PC指向指令1，此时指令1进入三级流水线的取指阶段。1 在第2个周期，PC指向指令2，此时指令1进入三级流水线的译码阶段，同时取出指令2。2 在第3个周期，PC指向指令3，此时指令1进入三级流水线的执行阶段，指令2进入译码阶段，取出指令3。3 在第4个周期，指令1执行完成，指令2和指令3流水线推进一级，同时开始指令4的取指处理。4处理器执行一条指令的三个阶段22 执行ADD PC,PC,#4指令后，PC的值为多少？2.2 ARM7TDMI思考题ADD PC，PC，#40 x40000 x40040 x40080 x4
13、00C地址指令PC取指译码执行PCPC-4PC-8ARM7的3级流水线ADD 程序计数器R15(PC)总是指向“正在取指”的指令，而不是指向“正在执行”的指令或“正在译码”的指令。一般来说，人们习惯性约定将“正在执行”的指令作为参考点，则：PC值当前程序执行位置8 注：ARM状态时，每条指令为4字节长。PC指向0 x4000地址，取指ADD指令。PC指向0 x4004地址，译码ADD指令。PC指向0 x4008地址，执行ADD指令，所以指令执行的结果为:PC=PC+40 x400840 x400C。231.ARM简介2.ARM7TDMI3.ARM的模块、内核和功能框图4.ARM处理器状态5.A
14、RM处理器模式ARM7体系结构6.ARM内部寄存器7.当前程序状态寄存器8.ARM体系的异常、中断及其向量表9.ARM体系的存储系统24CPU扫描链1扫描链1数据总线数据总线扫描链1扫描链2协处理器信号接口EmbeddedICE-RTTAP 控制器EmbeddedICE-RT宏单元DBGTCKENDBGTMSDBGnTRSTDBGTDIDBGTDORDATA31:0WDATA31:0ADDR31:0TRANS1:0PROT1:0SIZE1:0WRITELOCKDBGRNG(0)DBGRNG(1)DBGEXT(1)DBGEXT(0)2.3 ARM模块框图CPU协处理接口信号EmbedICE硬件仿
15、真功能模块片上调试系统读写总线252.3 ARM内核框图地址寄存器寄存器组31*32位寄存器（6个状态寄存器）地址增加器乘法器桶形移位器32位ALU写数据寄存器指令管线读数据寄存器Thumb指令译码器指令译码和控制逻辑ADDR31:0CLKCLENCFGBIGENDnIRQnFIQnRESETABORTLOCKWRITESIZE1:0PROT1:0TRANS1:0DBG输出DBG输入CP控制CP握手WDATA31:0RDATA31:0扫描调试控制262.3 ARM功能框图ARM7TDMI-S处理器LOCKCLKCLKENnIRQnFIQnRESETCFGBIGENDDBGRQDMOREDBGI
16、NSTRVAILDDBGBREAKDBGACKDBGnEXECDBGEXT1DBGEXT0DBGENDBGCOMMTXDBGCOMMRXDBGRNG0DBGRNG1DBGTCKENDBGTMSDBGTDIDBGnTRSTDBGTDODBGnTDOENADDR31:0WDATA31:0RDATA31:0ABORTWRITESIZE1:0PROT1:0TRANS1:0CPnTRANSCPnOPCCPnMREQCPSEQCPTBITCPnICPACPB同步的扫描调试访问接口存储器接口存储器管理接口协处理器接口时钟中断总线控制仲裁调试271.ARM简介2.ARM7TDMI3.ARM的模块、内核和功能框
17、图4.ARM处理器状态5.ARM处理器模式ARM7体系结构6.ARM内部寄存器7.当前程序状态寄存器8.ARM体系的异常、中断及其向量表9.ARM体系的存储系统282.4 ARM处理器状态处理器状态 ARM7TDMI处理器内核包含2套指令系统，分别为ARM指令集和Thumb指令，并且各自对应1种处理器的状态：ARM状态：32位，处理器执行字方式的ARM指令，处理器默认为此状态；Thumb状态：16位，处理器执行半字方式的Thumb指令。注意：两个状态之间的切换并不影响处理器模式或寄存器内容。292.4 ARM处理器状态状态切换的一个例子地址最低位为0，表示切换到ARM状态 使用BX指令将ARM
18、内核的操作状态在ARM状态和Thumb状态之间进行切换。ARM指令集Thumb指令集CODE32LDRR0,=Lable+1BX R0CODE16Lable MOV R1,#12CODE16LDR R0,=LableBX R0CODE32LableMOV R1,#10地址最低位为1，表示切换到Thumb状态跳转地址标号执行完BX指令，处理器切换到Thumb状态，开始执行Thumb指令程序代码指令集关系 从ARM状态切换到Thumb状态的程序代码如下：从Thumb状态切换到ARM状态的程序代码如下：执行完BX指令，处理器切换到ARM状态，开始执行ARM指令301.ARM简介2.ARM7TDMI3
19、.ARM的模块、内核和功能框图4.ARM处理器状态5.ARM处理器模式ARM7体系结构6.ARM内部寄存器7.当前程序状态寄存器8.ARM体系的异常、中断及其向量表9.ARM体系的存储系统312.5 ARM处理器模式简介 ARM体系结构支持7种处理器模式，分别为：用户模式、快中断模式、中断模式、管理模式、中止模式、未定义模式和系统模式。这样的好处是可以更好的支持操作系统并提高工作效率。ARM7TDMI完全支持这七种模式。32 除用户模式外，其它模式均为特权模式。ARM内部寄存器和一些片内外设在硬件设计上只允许（或者可选为只允许）特权模式下访问。此外，特权模式可以自由的切换处理器模式，而用户模式
20、不能直接切换到别的模式。处理器模式处理器模式说明说明备注备注 用户(usr)正常程序运行的工作模式不能直接从用户模式切换到其它模式特权模式系统(sys)用于支持操作系统的特权任务等与用户模式类似，但具有可以直接切换到其它模式等特权异常模式快中断(fiq)快速中断请求处理只有在FIQ异常响应时，才进入此模式中断(irq)中断请求处理只有在IRQ异常响应时，才进入此模式管理(svc)供操作系统使用的一种保护模式只有在系统复位和软件中断响应时，才进入此模式中止(abt)用于虚拟内存和/或存储器保护在ARM7内核中没有多大用处未定义(und)支持软件仿真的硬件协处理器只有在未定义指令异常响应时，才进入
21、此模式处理器模式 这两种模式都不能由异常进入，想要进入必须修改CPSR，而且它们使用完全相同的寄存器组。系统模式是特权模式，不受用户模式的限制。操作系统在该模式下访问用户模式的寄存器就比较方便，而且操作系统的一些特权任务可以使用这个模式访问一些受控的资源。这五种模式称为异常模式。它们除了可以通过程序切换进入外，也可以由特定的异常进入。当特定的异常出现时，处理器进入相应的模式。每种异常模式都有一些独立的寄存器，以避免异常退出时用户模式的状态不可靠。何时进入异常模式，具体规定如下：处理器复位之后进入管理模式，操作系统内核通常处于管理模式；当处理器访问存储器失败时，进入数据访问中止模式；当处理器遇到
22、没有定义或不支持的指令时，进入未定义模式；中断模式与快速中断模式分别对ARM处理器2种不同级别的中断作出响应。331.ARM简介2.ARM7TDMI3.ARM的模块、内核和功能框图4.ARM处理器状态5.ARM处理器模式ARM7体系结构6.ARM内部寄存器7.当前程序状态寄存器8.ARM体系的异常、中断及其向量表9.ARM体系的存储系统342.6 ARM内部寄存器简介 在ARM处理器内部共有37个用户可访问的寄存器，分别为31个通用32位寄存器和6个状态寄存器。ARM处理器共有7种不同的处理器模式，每种模式都有一组相应的寄存器组，最多可以18个活动的寄存器。35ARM状态各模式下的寄存器寄存器
23、寄存器类别类别寄存器在汇寄存器在汇编中的名称编中的名称各模式下实际访问的寄存器各模式下实际访问的寄存器用户用户系统系统管理管理中止中止未定义未定义中断中断快中断快中断通通用用寄寄存存器器和和程程序序计计数数器器R0(a1)R0R1(a2)R1R2(a3)R2R3(a4)R3R4(v1)R4R5(v2)R5R6(v3)R6R7(v4)R7R8(v5)R8R8_fiqR9(SB,v6)R9R9_fiqR10(SL,v7)R10R10_fiqR11(FP,v8)R11R11_fiqR12(IP)R12R12_fiqR13(SP)R13R13_scvR13_abtR13_undR13_irqR13_f
24、iqR14(LR)R14R14_svcR14_abtR14_undR13_irqR14_fiqR15(PC)R15状态状态寄存器寄存器CPSRCPSRSPSRSPSR_svcSPSR_abtSPSR_undSPSR_irqSPSR_fiq 所有的37个寄存器，分成两大类：31个通用32位寄存器；6个状态寄存器。36ARM状态各模式下可以访问的寄存器寄存器寄存器类别类别寄存器在汇寄存器在汇编中的名称编中的名称各模式下实际访问的寄存器各模式下实际访问的寄存器用户用户系统系统管理管理中止中止未定义未定义中断中断快中断快中断通通用用寄寄存存器器和和程程序序计计数数器器R0(a1)R0R1(a2)R1R
25、2(a3)R2R3(a4)R3R4(v1)R4R5(v2)R5R6(v3)R6R7(v4)R7R8(v5)R8R8_fiqR9(SB,v6)R9R9_fiqR10(SL,v7)R10R10_fiqR11(FP,v8)R11R11_fiqR12(IP)R12R12_fiqR13(SP)R13R13_svcR13_abtR13_undR13_irqR13_fiqR14(LR)R14R14_svcR14_abtR14_undR14_irqR14_fiqR15(PC)R15状态状态寄存器寄存器CPSRCPSRSPSRSPSR_svcSPSR_abtSPSR_undSPSR_irqSPSR_fiq37未
26、分组的通用寄存器寄存器寄存器类别类别寄存器在汇寄存器在汇编中的名称编中的名称各模式下实际访问的寄存器各模式下实际访问的寄存器用户用户系统系统管理管理中止中止未定义未定义中断中断快中断快中断通通用用寄寄存存器器和和程程序序计计数数器器R0(a1)R0R1(a2)R1R2(a3)R2R3(a4)R3R4(v1)R4R5(v2)R5R6(v3)R6R7(v4)R7R8(v5)R8R8_fiqR9(SB,v6)R9R9_fiqR10(SL,v7)R10R10_fiqR11(FP,v8)R11R11_fiqR12(IP)R12R12_fiqR13(SP)R13R13_scvR13_abtR13_undR
27、13_irqR13_fiqR14(LR)R14R14_svcR14_abtR14_undR13_irqR14_fiqR15(PC)R15状态状态寄存器寄存器CPSRCPSRSPSRSPSR_svcSPSR_abtSPSR_undSPSR_irqSPSR_fiq寄存器R0R7为未分组的通用寄存器，它们在任何处理器模式都对应于相同的32位物理寄存器。第一类分组的通用寄存器寄存器R8R12有两个分组的物理寄存器。一个用于除FIQ模式之外的所有寄存器模式，另一个用于FIQ模式。在发生FIQ中断后，处理器不必为保护寄存器而浪费时间，从而加速了FIQ的处理速度。第二类分组的通用寄存器寄存器R13、R14分
28、别有6个分组的物理寄存器。1个用于用户和系统模式，其余5个分别用于5种异常模式。寄存器R13通常作为堆栈指针（SP），用于保存待使用的寄存器的内容。寄存器R14称为链接寄存器（LR），在结构上有两个特殊功能：当使用BL指令调用子程序时，返回地址将自动存入R14中；当发生异常时，将R14对应的异常模式版本设置为异常返回地址（有些异常有一个小的固定偏移量）。程序计数器寄存器R15称为程序计数器（PC），它指向正在“取指”的指令。状态寄存器寄存器CPSR为当前程序状态寄存器，在异常模式中，另外一个寄存器“程序状态保存寄存器（SPSR）”可以被访问。每种异常都有自己的SPSR，在进入异常时它保存CPS
29、R的当前值，异常退出时可通过它恢复CPSR。382.6 ARM内部寄存器在Thumb状态各模式下实际访问的寄存器 Thumb状态寄存器集是ARM状态集的子集，程序员可以直接访问的寄存器为：8个通用寄存器R0R7；程序计数器（PC）；堆栈指针（SP）；链接寄存器（LR）；当前程序状态寄存器（CPSR）。39在Thumb状态各模式下的寄存器寄存器寄存器类别类别寄存器在汇寄存器在汇编中的名称编中的名称各模式下实际访问的寄存器各模式下实际访问的寄存器用户用户系统系统管理管理中止中止未定义未定义中断中断快中断快中断通通用用寄寄存存器器和和程程序序计计数数器器R0(a1)R0R1(a2)R1R2(a3)R
30、2R3(a4)R3R4(v1)R4R5(v2)R5R6(v3)R6R7(v4,WR)R7SPR13R13_scvR13_abtR13_undR13_irqR13_fiqLRR14R14_svcR14_abtR14_undR13_irqR14_fiqPCR15状态状态寄存器寄存器CPSRCPSR未分组的通用寄存器第二类分组的通用寄存器在汇编语言中寄存器R0R7为通用寄存器，对于任何处理器模式，它们中的每一个都对应于相同的32为物理寄存器。堆栈指针SP对应ARM状态的寄存器R13。每个异常模式都有其自身的SP分组版本，SP通常指向各异常模式所专用的堆栈。注意：在发生异常时，处理器自动进入ARM状态
31、。链接寄存器LR对应ARM状态寄存器R14。注意：在发生异常时，处理器自动进入ARM状态。40ARM状态Thumb寄存器在ARM状态寄存器上的映射R0R1R2R3R4R5R6R7R8R9R10R11R12堆栈指针(R13)连接寄存器(R14)程序计数器(R15)CPSRSPSRR0R1R2R3R4R5R6R7堆栈指针(SP)连接寄存器(LR)程序计数器(PC)CPSRThumb状态 Thumb状态R0R7与ARM状态R0R7相同；1 Thumb状态CPSR(无SPSR)与ARM状态CPSR相同。5 Thumb状态SP映射到ARM状态R13；2 Thumb状态LR映射到ARM状态R14；3 Th
32、umb状态PC映射到ARM状态R15(PC)；4低端寄存器高端寄存器 在Thumb状态中，高端寄存器的访问是受到限制的，只有MOV、CMP和ADD指令可以对其访问，可以用于数据的快速暂存。41ARMThumbARMResetBXBXARM中断服务程序正常程序事件ARMARMISR1ISR2ISRn状态切换过程异常发生进入退出 系统复位，自动切换到ARM状态。1 通过BX和BLX指令改变当前处理器模式，使之从ARM状态切换到Thumb状态。2 在Thumb状态下，正常程序执行时产生中断异常。3 处理器进入中断异常，自动的将模式切换到ARM状态。4 异常处理完毕，返回正常程序，此时处理器自动的将模
33、式切换到Thumb状态。5 再次通过BX和BLX指令改变当前处理器模式，使之从Thumb状态切换到ARM状态。6 程序在正常运行的过程中，复位事件产生，导致系统复位。421.ARM简介2.ARM7TDMI3.ARM的模块、内核和功能框图4.ARM处理器状态5.ARM处理器模式ARM7体系结构6.ARM内部寄存器7.当前程序状态寄存器8.ARM体系的异常、中断及其向量表9.ARM体系的存储系统432.7 当前程序状态寄存器简介 ARM内核包含1个CPSR和5个仅供异常处理程序使用的SPSR。CPSR反映当前处理器的状态，其包含：4个条件代码标志(负标志N、零标志Z、进位标志C和溢出标志V)；2个
34、中断禁止位(IRQ禁止与FIQ禁止)；5个对当前处理器模式进行编码的位(M4:0)；1个用于指示当前执行指令的位(ARM指令还是Thumb指令)。442.7 当前程序状态寄存器程序状态寄存器的格式NZCV IM0M1M2M3M4TF.31 30 29 28 27 26 8 7 6 5 4 3 2 1 0条件代码标志保留控制位溢出标志进位或借位扩展零负或小于IRQ禁止FIQ禁止状态位模式位NZCVIM0M1M2M3M4TF452.7 当前程序状态寄存器条件代码标志各标志位的含义如下：负标志N：运算结果的第31位值，记录标志设置操作的结果；零标志Z：如果标志设置的操作为0，则置位；进位标志C：记录
35、无符号加法溢出，减法无借位，循环移位；溢出标志V：记录标志设置操作的有符号溢出。46 警告：绝对不要强制改变CPSR寄存器中的控制位T。如果这样做，处理器将进入一个无法预测的状态。2.7 当前程序状态寄存器控制位1、中断禁止控制位I和F；2、处理器状态位T；3、处理器模式位M0M4。当控制位I置位时，IRQ中断被禁止；当控制位F置位时，FIQ中断被禁止。当控制位T置位时，处理器正在Thumb状态下运行；当控制位T清零时，处理器正在ARM状态下运行。M4:0模式模式可见的可见的Thumb状态寄存器状态寄存器可见的可见的ARM状态寄存器状态寄存器10000用户R0R7,SP,LR,PC,CPSRR
36、0R14,PC,CPSR 10001快速中断R0R7,SP_fiq,LR_fiq,PC,CPSR,SPSR_fiq R0R7,R8_fiqR14_fiq,PC,CPSR,SPSR_fiq 10010中断R0R7,SP_irq,LR_irq,PC,CPSR,SPSR_fiq R0R12,R13_irq,R14_irq,PC,CPSR,SPSR_irq 10011管理R0R7,SP_svc,LR_svc,PC,CPSR,SPSR_svc R0R12,R13_svc,R14_svc,PC,CPSR,SPSR_svc 10111中止R0R7,SP_abt,LR_abt,PC,CPSR,SPSR_abt
37、 R0R12,R13_abt,R14_abt,PC,CPSR,SPSR_abt 11011未定义R0R7,SP_und,LR_und,PC,CPSR,SPSR_und R0 R12,R13_und,R14_und,PC,CPSR,SPSR_und11111系统R0R7,SP,LR,PC,CPSR R0R14,PC,CPSR 注意：不是所有模式位的组合都定义了有效的处理器模式，如果将非法值写入M4:0中，处理器将进入一个无法恢复的模式。472.7 当前程序状态寄存器保留位 CPSR中的保留位被保留将来使用。当改变CPSR标志和控制位时，请确认没有改变这些保留位。另外，请确保您的程序不依赖于包含特
38、定值的保留位，因为将来的处理器可能会将这些位设置为1或者0。481.ARM简介2.ARM7TDMI3.ARM的模块、内核和功能框图4.ARM处理器状态5.ARM处理器模式ARM7体系结构6.ARM内部寄存器7.当前程序状态寄存器8.ARM体系的异常、中断及其向量表9.ARM体系的存储系统492.8 ARM体系的异常异常简介 只要正常的程序流被暂时中止，处理器就进入异常模式。例如在用户模式下执行程序时，当外设向处理器内核发出中断请求导致内核从用户模式切换到异常中断模式。如果同时发生两个或更多异常，那么将按照固定的顺序来处理异常。50异常入口/出口汇总 下表所示为异常返回地址值以及退出异常处理程序
39、所推荐使用的指令。异常或入口异常或入口返回指令返回指令返回地址返回地址SWIMOVS PC,R14_svcR14未定义的指令MOVS PC,R14_undR14预取中止SUBS PC,R14_abt,#4R144快速中断SUBS PC,R14_fiq,#4R144中断SUBS PC,R14_irq,#4R144数据中止SUBS PC,R14_abt,#8R148复位无 注意：“MOVS PC,R14_svc”是指在管理模式执行MOVS PC,R14 指令，同样类似的指令还有“MOVS PC,R14_und”、“SUBS PC,R14_abt,#4”等。512.8 ARM体系的异常异常向量表地址
40、地址异常异常进入时的模式进入时的模式进入时进入时I的状态的状态进入时进入时F的状态的状态0 x00000000复位管理禁止禁止0 x00000004未定义指令未定义IF0 x00000008软件中断异常管理禁止F0 x0000000C中止（预取）中止IF0 x00000010中止（数据）中止IF0 x00000014保留保留0 x00000018IRQ中断禁止F0 x0000001CFIQ快速中断禁止禁止注：表中的I和F表示不对该位有影响，保留原来的值。522.8 ARM体系的异常异常优先级 当多个异常同时发生时，一个固定的优先级决定系统处理它们的顺序。优先级优先级异常异常1复位2数据中止3F
41、IQ4IRQ5预取指中止6未定义指令中止6软件中断异常优先级由高到低532.8 ARM体系的异常异常的进入当一个异常导致模式切换时，内核自动的做如下处理：将异常处理程序的返回地址（加固定的偏移量）保存到相应异常模式下的LR；将CPSR的当前值保存到相应异常模式下的SPSR；设置CPSR为相应的异常模式；设置PC为相应异常处理程序的中断入口向量地址，跳转到相应的异常中断处理程序执行；用户模式SPSR异常模式CPSRR15(PC)R14(LR)R0R13BackAddrJumpAddrUserModeExceptionMode程序代码正常运行在用户模式下。542.8 ARM体系的异常异常的进入当一
42、个异常导致模式切换时，内核自动的做如下处理：将异常处理程序的返回地址（加固定的偏移量）保存到相应异常模式下的LR；将CPSR的当前值保存到相应异常模式下的SPSR；设置CPSR为相应的异常模式；设置PC为相应异常处理程序的中断入口向量地址，跳转到相应的异常中断处理程序执行；552.8 ARM体系的异常异常的退出 当异常处理程序结束时，异常处理程序必须：返回到发生异常中断的指令的下一条指令处执行，即就是说将LR中的值减去偏移量后移入PC；将SPSR的值复制回CPSR；SPSR异常模式用户模式CPSRR15(PC)R14(LR)R0R13BackAddrCurrentAddrUserModeExc
43、eptionModeBackAddrOff562.8 ARM体系的异常异常的退出 当异常处理程序结束时，异常处理程序必须：返回到发生异常中断的指令的下一条指令处执行，即就是说将LR中的值减去偏移量后移入PC；将SPSR的值复制回CPSR；清零在入口处置位的中断禁止标志。572.8 ARM体系的异常复位异常 当nRESET信号被拉低时，ARM处理器放弃正在执行的指令，等到nRESET信号再次变高时，处理器执行一下操作：强制M4:0变为b10011，系统进入管理模式；将CPSR中的标志位I和F置位，IRQ与FIQ中断被禁止；将CPSR中的标志位T清零，处理器处于ARM状态；强制PC从地址0 x00
44、开始对下一条指令进行取指；返回到ARM状态并恢复执行。582.8 ARM体系的异常中断请求异常 只有当CPSR中相应的中断屏蔽位被清除时，才可能发生IRQ异常，中断请求（IRQ）异常由一个nIRQ输入端的低电平所产生的正常中断。注：中断异常产生时，中断异常模式下的R14保存的是PC的值。取指译码执行取指译码执行取指译码执行周期4 周期5周期1 周期2 周期3PC-8指令1指令2指令3PC-4PC中断发生周期指令1的执行不会中断；异常程序结束时返回到指令2；进入中断服务程序时，指令3地址被保存在R14中。59 程序运行在用户模式下，当一个IRQ异常中断发生时，内核切换到“中断模式”，并自动的做如
45、下处理：2.8 ARM体系的异常进入IRQ异常模式R0R12R13_usrR14_usrR15CPSR-R13_irqR14_irqSPSR_irqUSR模式IRQ模式2I=1,T=0,mod=irq3异常向量地址0 x00184ISR代码将寄存器压栈 51 将异常处理程序的返回地址保存到异常模式下的R14(R14_irq)中。1 用户模式的CPSR被保存到新的IRQ中断异常模式SPSR_irq中。2 修改CPSR，禁止新的IRQ中断产生，进入ARM状态，设置为IRQ模式。3 设置IRQ模式下的PC为IRQ异常处理程序的中断入口向量地址0 x00000018。4 将IRQ中断异常模式的栈顶指针
46、保存到R13_irq中，之后软件处理程序调用中断服务程序为中断源服务。560 从R13_irq中获取IRQ中断异常模式的栈顶指针。12.8 ARM体系的异常退出IRQ异常模式R0R12R13_usrR14_usrR15CPSR-R13_irqR14_irqSPSR_irqIRQ模式USR模式恢复CPSR2R14减4后为返回地址3ISR代码将寄存器出栈 1 将SPSR_irq中的内容复制到CPSR。2 由于流水线的特性，将R14_irq指向的地址减去一个偏移量后存入R15(PC)，实现指令为：SUBS PC,R14_irq,#4 3 中断服务程序执行完毕后，系统将通过以下几步软件操作返回用户模式
47、:612.8 ARM体系的异常快速中断请求异常 快速中断请求(FIQ)适用于对一个突发事件的快速响应，这得益于在ARM状态中，快中断模式有8个专用的寄存器可用来满足寄存器保护的需要（这可以加速上下文切换的速度）。不管异常入口是来自ARM状态还是Thumb状态，FIQ处理程序都会通过执行下面的指令从中断返回：SUBS PC,R14_fiq,#4 在一个特权模式中，可以通过置位CPSR中的F位来禁止FIQ异常。62系统模式FIQ模式程序寄存器组FIQ中断的例子“?”表示该位无关SPSR_fiqPCCPSRSPSRMODTFI.N Z C VSYS100.？R8R12R8_fiqR12_fiqLRL
48、R_sysLR_fiqR0R7SP_sysSP_fiqThumbThumb指令1指令2指令3BX指令BX指令ARMARMSYS100.?FIQ011.？BackAddrJumpAddrJump1 0SYS100.？JumpBackAddr-4 Thumb不是一个完整的体系结构，不能指望处理器只执行Thumb指令而不支持ARM指令集。因此，Thumb指令只需要支持通用功能，必要时可以借助于完善的ARM指令集，比如，所有异常自动进入ARM状态。在系统模式下运行用户程序，当前处理器处于Thumb状态，执行Thumb指令代码，同时处理器还允许IRQ和FIQ中断。指令1的在执行过程产生了FIQ中断。注：
49、完成指令1的执行后才响应中断。FIQ中断相应过程中，硬件自动执行如下动作：将CPSR寄存器内容存入IRQ模式的SPSR寄存器置为F和I（禁止FIQ和IRQ中断）；清零T位（进入ARM状态）；设置MOD位，切换处理器模式至FIQ模式。将下一条的地址存入FIQ模式的LR寄存器，即指令3的地址。将跳转地址存入PC，即FIQ中断服务函数的入口地址，实现跳转。FIQ中断服务程序在ARM状态下执行现场保护等操作。FIQ中断服务程序使用BX指令，将处理器从ARM状态切换到Thumb状态，通过置位CPSR的T位实现。FIQ中断服务程序开始执行Thumb指令。FIQ中断服务程序使用BX指令，将处理器从Thumb
50、状态切换到ARM状态，通过清除CPSR的T位实现。FIQ中断服务程序在ARM状态下执行恢复中断现场等操作。FIQ中断异常处理结束后，异常处理程序完成以下动作：将SPSR寄存器的值复制回CPSR寄存器；将LR寄存的值减去一个常量（FIQ异常为4）后复制到PC寄存器，跳转到被中断的用户程序（指令2的地址）。632.8 ARM体系的异常未定义的指令异常 未定义指令异常是内部异常中断，当ARM处理器遇到一条自己和系统内部任何协处理器都无法执行的指令时，就会发生未定义指令异常，从而进入中断处理程序，同时软件可使用这一机制通过仿真未定义的协处理器指令来扩展ARM指令集。在仿真失败的指令后，捕获处理器执行下