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ARM 体系结构编程

ARM 体系结构编程. 课程内容复习 (1). 1.Arm 处理器的工作状态 Arm 状态和 Thumb 状态 2.Arm 处理器的工作模式 7 种工作模式 工作模式的区别： 不同工作模式下的程序能访问的系统资源 (CPU 寄存器 ) 不同。 改变工作模式的方法： 软件改变 CPSR 的模式位、异常中断的发生 工作模式的最大用途： 用于处理不同的中断请求. 课程内容复习 (2). 3. Arm 的寄存器组织. 课程内容复习 (2). 课程内容复习 (3). 4. Arm 的异常中断、中断向量表、中断处理、中断引起的工作模式的改变、中断的作用。. 地址.

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ARM 体系结构编程

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  1. ARM体系结构编程

  2. 课程内容复习(1) 1.Arm处理器的工作状态 Arm状态和Thumb状态 2.Arm处理器的工作模式 7种工作模式 工作模式的区别：不同工作模式下的程序能访问的系统资源(CPU寄存器)不同。 改变工作模式的方法：软件改变CPSR的模式位、异常中断的发生 工作模式的最大用途：用于处理不同的中断请求

  3. 课程内容复习(2) 3. Arm的寄存器组织

  4. 课程内容复习(2)

  5. 课程内容复习(3) • 4. Arm的异常中断、中断向量表、中断处理、中断引起的工作模式的改变、中断的作用。 地址 中断向量 0x0 Ldr PC, =ResetHandler Reset引脚 复位中断(1) Reset按键 设置异常模式 0x4 Ldr PC, =UndeftHandler 未定义指令(6) 中 断 处 理 未定义指令 中 断 模 块 内部指令执行 0x8 Ldr PC, =SWIHandler SWI指令 软件中断(6) P C 0xc Ldr PC, =InstrHandler 指令预取中止 指令预取中止(5) 0x10 Ldr PC, =DataHandler 数据预取中止 数据访问中止(2) IRQ引脚 保留 devices 0x14 IRQ(4) 0x18 Ldr PC, =IRQHandler FIQ引脚 devices FIQ(3) Ldr PC, =FIQHandler 0x1c CPU Flash

  6. ARM的流水线结构 • 流水线结构 一条指令典型执行过程可能包括： • 取指：从存储器中取出指令（fetch）； • 译码（dec）； • 取操作数，从寄存器组中读操作数（reg）； • 执行运算（ALU）； • 存储器访问（mem）； • 结果写回寄存器（res）；

  7. ARM的流水线结构 指令流水线

  8. ARM7的三级流水 • ARM7 采用3级流水线，即分为取指、译码和执行。

  9. ARM9的五级流水 • ARM9 5级流水线，即分为取指、译码、执行、数据缓存和写回。 3级流水线阻塞主要发生在存储器访问和数据通路的占用上，ARM9则采用5级流水线，把存储器存取和数据存取分开，且增加I-Cache和D-Cache，同时增加了数据写回的专用通道

  10. I-Cache和D-Cache • 快存（Cache）结构 新型ARM处理器采用 I-Cache和D-Cache独立的结构

  11. Arm存储器格式 • ARM体系结构将存储器看作是从零地址开始的字节的线性组合 • ARM体系结构可以用两种方法存储字数据，称之为大端格式和小端格式 • 大端格式：字数据的高字节存储在低地址中，字数据的低字节存储在高地址中。 • 小端格式：字数据的高字节存储在高地址中，字数据的低字节存储在低地址中。

  12. Arm存储器格式

  13. 主要内容 • 1.Arm指令概要介绍 • 2.Arm指令的寻址方式 • 3.Arm指令系统

  14. 1.Arm指令概要介绍 • 从四个方面进行描述 • 1.1 Arm指令的分类 • 1.2 典型的Arm指令的语法格式 • 1.3 Arm指令的条件执行 • 1.4 Arm指令的一般编码格式

  15. 1.1Arm 指令的分类 • 1 跳转指令 • 2 数据处理指令 • 3 乘法指令与乘加指令 • 4 程序状态寄存器访问指令 • 5 加载/存储指令 • 6 批量数据加载/存储指令 • 7 数据交换指令 • 8 移位操作指令 • 9 异常产生指令 • 10 协处理器指令

  16. 1.2典型的Arm指令的语法格式 • 一条典型的Arm指令语法格式为 • 例子 • ADDEQS R0，R1，＃3

  17. 1.3Arm指令的条件执行 • 大多数Arm指令都可以条件执行，也就是根据CPSR中的条件标志位决定是否执行该指令。当条件满足时该指令执行，条件不满足时被当作一条NOP指令 • 可以条件执行的指令可以在其助记符的扩展域上加上条件码助记符，从而在特定的条件下执行 ADDEQS R0，R1，＃3

  18. 条件执行的例子 • if (a>b) a++; • else b++; • CMP R0, R1 • ADDHI R0, R0, #1 • ADDLS R1, R1, #1

  19. ARM 指令 C 代码 非条件执行 条件执行 if (r0 == 0) { r1 = r1 + 1; } else { r2 = r2 + 1; } CMP r0, #0 BNE else ADD r1, r1, #1 B end else ADD r2, r2, #1 end ... CMP r0, #0 ADDEQ r1, r1, #1 ADDNE r2, r2, #1 ... • 3条指令 • 占据3个字 • 3个时钟周期 • 5条指令 • 占据5个字 • 5个或者6个时钟周期 条件执行的例子

  20. 1.4 Arm指令的编码格式 • 编码格式： • 机器指令格式 • 在存储器中的指令格式 ADDEQS R0，R1，＃3

  21. 主要内容 • 1.Arm指令概要介绍 • 2.Arm指令的寻址方式 • 3.Arm指令系统

  22. 2. Arm 指令的寻址方式 • 立即寻址 • 寄存器寻址 • 寄存器间接寻址 • 基址变址寻址 • 寄存器偏移寻址 • 相对寻址 • 多寄存器寻址 • 堆栈寻址

  23. 1.寻址方式－立即寻址 • 立即寻址也叫立即数寻址 • 这是一种特殊的寻址方式，操作数本身就在指令中给出(或根据指令可直接计算而得)，只要取出指令也就取到了操作数。这个操作数被称为立即数，对应的寻址方式也就叫做立即寻址 。 • 例子 • ADD R0，R0，＃1 ；R0←R0＋1 • ADD R0，R0，＃0x3f ；R0←R0＋0x3f

  24. 2.寻址方式－寄存器寻址 • 寄存器寻址就是利用寄存器中的数值作为操作数 • 这种寻址方式是各类处理器经常采用的一种方式，也是一种执行效率较高的寻址方式 • 例子 • ADD R0，R1，R2 ；R0←R1＋R2

  25. 3.寻址方式－寄存器间接寻址 • 寄存器间接寻址就是以寄存器中的值作为操作数的地址，而操作数本身存放在存储器中 • 例子 • ADD R0，R1，[R2] ；R0←R1＋[R2] 将R2中的数值作为地址，取出此地址中的数据与R1中的数据相加，结果存在R0里

  26. 4.寻址方式－基址变址寻址 • 基址变址寻址就是将寄存器（该寄存器一般称作基址寄存器）的内容与指令中给出的地址偏移量相加，从而得到一个操作数的有效地址。 • 基址变址寻址方式常用于访问某基地址附近的地址单元。 • 例子 • LDR R0，[R1，＃4] ；R0←[R1＋4] 将R1中的数值加4作为地址，取出此地址的数值保存在R0中 • LDR R0，[R1，＃4]！ ；R0←[R1＋4]、R1←R1＋4 • LDR R0，[R1] ，＃4 ；R0←[R1]、R1←R1＋4 • LDR R0，[R1，R2] ；R0←[R1＋R2]

  27. 5.寻址方式－寄存器偏移寻址 • ARM指令集特有的寻址方式，当第二个操作数是寄存器偏移方式时，第二个寄存器操作数在与第一个操作数结合前，选择进行移位操作。 • 例子： • MOV R0, R2, LSL #3； R2的值左移3位，结果放入R0 • 可选择的移位操作如下： • LSL：逻辑左移，寄存器中字的低端空出的位补0 • LSR：逻辑右移，寄存器中字的高端空出的位补0

  28. 6.寻址方式－相对寻址 • 与基址寻址方式相类似，相对寻址以程序计数器PC的当前值为基地址，指令中的地址标号作为偏移量，将两者相加之后得到操作数的有效地址。以下程序段完成子程序的调用和返回，跳转指令BL采用了相对寻址方式： BL NEXT ；跳转到子程序NEXT处执行 …… NEXT …… MOV PC， LR ；从子程序返回

  29. 7.寻址方式－多寄存器寻址 • 采用多寄存器寻址方式，一条指令可以完成多个寄存器值的传送 • 这种寻址方式可以用一条指令完成传送最多16 个通用寄存器的值 • 例子 • LDMIA R0，{R1，R2，R3，R4} ； ；R1←[R0] ；R2←[R0＋4] ；R3←[R0＋8] ；R4←[R0＋12] 将R0单元中的数据读出到R1,R2,R3,R4寄存器中

  30. 8.寻址方式－堆栈寻址 • 存储器堆栈可分为两种： • 向上生长：向高地址方向生长，称为递增堆栈（Ascending Stack） • 向下生长：向低地址方向生长，称为递减堆栈（Decending Stack）， • 堆栈指针指向最后压入的堆栈的有效数据项，称为满堆栈（Full Stack） • 堆栈指针指向下一个要放入的空位置，称为空堆栈（ Empty Stack）

  31. 8.寻址方式－堆栈寻址 • 这样就有四种类型的堆栈工作方式，ARM微处理器支持这四种类型的堆栈工作方式，即： • － 满递增堆栈(FA)：堆栈指针指向最后压入的数据，且由低地址向高地址生成。 • － 空递增堆栈(EA)：堆栈指针指向下一个将要放入数据的空位置，且由低地址向高地址生成。 • － 满递减堆栈(FD)：堆栈指针指向最后压入的数据，且由高地址向低地址生成。 • － 空递减堆栈(ED)：堆栈指针指向下一个将要放入数据的空位置，且由高地址向低地址生成。

  32. 例子： • STMFD SP！，{R1-R7，LR}；将R1-R7，LR入栈，满递减堆栈

  33. 主要内容 • 1.Arm指令概要介绍 • 2.Arm指令的寻址方式 • 3.Arm指令系统

  34. Arm 指令的分类 • 1 跳转指令 • 2 数据处理指令 • 3 乘法指令与乘加指令 • 4 程序状态寄存器访问指令 • 5 加载/存储指令 • 6 批量数据加载/存储指令 • 7 数据交换指令 • 8 移位操作指令 • 9 异常产生指令 • 10 协处理器指令

  35. 1. 跳转指令 • Arm中两种改变程序流程的方式 • 使用专门的跳转指令 • 直接向程序计数器PC 写入跳转地址值 • 通过向程序计数器PC 写入跳转地址值，可以实现在4GB 的地址空间中的任意跳转 • 在跳转之前结合使用MOV LR，PC等类似指令，可以保存将来的返回地址值，从而实现在4GB 连续的线性地址空间的子程序调用

  36. 四类跳转指令 • 四类跳转指令 • B 跳转指令 • BL 带返回的跳转指令 • BLX 带返回和状态切换的跳转指令 • BX 带状态切换的跳转指令 • B/BL指令 • 语法格式 • 编码格式

  37. B 指令 • 语法格式： • B{cond} <target_address> • B指令和目标地址处的指令都为arm指令集 • B 指令是最简单的跳转指令。一旦遇到一个 B 指令，ARM 处理器将立即跳转到给定的目标地址，从那里继续执行 • 例子： • B Label ；程序无条件跳转到标号Label 处执行 • BEQ Label；当CPSR 寄存器中的Z 条件码置位时，程序跳转到标号Label 处执行

  38. BL 指令 • BL 指令的格式为： • BL{cond} <target_address> • BL指令和目标地址处的指令都为arm指令集 • BL 是另一个跳转指令，但跳转之前，会在寄存器R14 中保存PC 的当前内容，因此，可以通过将R14 的内容重新复制到PC 中，来返回到跳转指令之后的那个指令处执行 • 复制方法： BL Label；当程序无条件跳转到标号Label处执行时，同时将当前的PC值保存到R14中 MOV PC, R14;

  39. BLX (1) 指令 • BLX 指令的格式为 • BLX{cond} <target_address> • 从ARM指令集跳转到指令中指定的目标地址，并把程序状态切换为Thumb状态，同时把PC寄存器的内容复制到R14寄存器。 • 主要用于：当子程序为Thumb指令集，而调用者为Arm指令集时，可以通过BLX实现子程序调用。

  40. BLX (2) 指令 • BLX(2)的语法格式 • BLX{cond} <Rm> • 从Arm指令集跳转到指令中指定的目标地址，目标指令可以是Arm指令，也可以是Thumb指令。目标地址放在指令中的<Rm>寄存器中。该指令同时把PC寄存器的内容复制到LR寄存器中 • 当Rm的bit[0]为0时，目标地址处的指令为ARM指令； • 当Rm的bit[0]为1时，目标地址处的指令为THUMB指令

  41. BX 指令 • BX 指令的格式为 • BX{cond} <Rm> • BX 指令跳转到指令中所指定的目标地址，目标地址处的指令既可以是ARM 指令，也可以是Thumb 指令 • 当Rm的bit[0]为0时，目标地址处的指令为ARM指令； • 当Rm的bit[0]为1时，目标地址处的指令为THUMB指令

  42. 2.数据处理指令 • 数据处理指令可分为数据传送指令、算术逻辑运算指令和比较指令等 • 数据传送指令用于向寄存器中传入一个常数 • 算术逻辑运算指令完成常用的算术与逻辑的运算，该类指令将运算结果保存在目的寄存器中，并根据S位是否置位更新CPSR 中的相应条件标志位 • 比较指令不保存运算结果，并无条件更新CPSR 中相应的条件标志位

  43. 指令种类 • — SUB 减法指令 • — SBC 带借位减法指令 • — RSB 逆向减法指令 • — RSC 带借位的逆向减法指令 • — AND 逻辑与指令 • — ORR 逻辑或指令 • — EOR 逻辑异或指令 • — BIC 位清除指令 • — MOV 数据传送指令 • — MVN 数据取反传送指令 • — CMP 比较指令 • — CMN 反值比较指令 • — TST 位测试指令 • — TEQ 相等测试指令 • — ADD 加法指令 • — ADC 带进位加法指令

  44. 数据传送指令 • MOV 数据传送指令 • MVN 数据取反传送指令

  45. 举例 • MOV R1，R0；将寄存器R0的值传送到寄存器R1 • MOV PC，R14；将寄存器R14的值传送到PC，常用于子程序返回 • MOV R1，R0，LSL＃3 ；将寄存器R0的值左移3位后传送到R1 • MVN R0，＃0x10；将立即数0x10取反传送到寄存器R0中

  46. 比较指令 • CMP 比较指令：使用寄存器Rn的值减去operand2的值，根据操作的结果CPSR中的相应条件标志位 • CMN 反值比较指令：使用寄存器Rn的值加上operand2的值，根据操作的结果CPSR中的相应条件标志位

  47. 比较指令 • TST 位测试指令：将寄存器Rn的值与operand2的值按位作逻辑与操作，根据操作的结果CPSR中的相应条件标志位 • TEQ 相等测试指令：将寄存器Rn的值与operand2的值按位作逻辑异或操作，根据操作的结果CPSR中的相应条件标志位

  48. 举例 • CMP R1，R0；将寄存器R1的值与寄存器R0的值相减，并根据结果设置CPSR的标志位 • CMP R1，＃100；将寄存器R1的值与立即数100相减，并根据结果设置CPSR的标志位 • CMN R1，R0；将寄存器R1的值与寄存器R0的值相加，并根据结果设置CPSR的标志位 • TST R1，＃0xffe；将寄存器R1的值与立即数0xffe按位与，并根据结果设置CPSR的标志位 • TEQ R1，R2；将寄存器R1的值与寄存器R2的值按位异或，并根据结果设置CPSR的标志位

  49. 算术逻辑运算指令 • ADD加法运算指令：将operand2数据与Rn的值相加，结果保存到Rd寄存器

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