ARM體系結構學(xué)習2

7A?

7R?

7M?

一個(gè)單片機芯片里面包括了幾乎所有功能的芯片。并不是說(shuō)結構簡(jiǎn)單。功能少。?

執行程序的過(guò)程：?

1.從內存讀出指令到CPU。一次只能讀一條指令。?

2.取出指令之后要進(jìn)行譯碼。?

3.執行指令。?

主頻高，功耗高。?

ARM7TDMI內容：?

1.三級流水線(xiàn)?

2.馮諾依曼結構（之后的ARM版本使用哈佛結構）?

3.cpi~1.9?

4.T-thumb架構擴展?

ARM7／ARM9流水線(xiàn)技術(shù)（是為了更好的執行程序）

1．1 ARM7流水線(xiàn)技術(shù)

ARM7系列處理器中每條指令分取指、譯碼、執行三個(gè)階段，分別在不同的功能部件上依次獨立完成。取指部件完成從存儲器裝載一條指令，通過(guò)譯碼部件產(chǎn)生下一周期數據路徑需要的控制信號，完成寄存器的解碼，再送到執行單元完成寄存器的讀取、ALU運算及運算結果的寫(xiě)回，需要訪(fǎng)問(wèn)存儲器的指令完成存儲器的訪(fǎng)問(wèn)。流水線(xiàn)上雖然一條指令仍需3個(gè)時(shí)鐘周期來(lái)完成，但通過(guò)多個(gè)部件并行，使得處理器的吞吐率約為每個(gè)周期一條指令，提高了流式指令的處理速度，從而可達到 O．9 MIPS／MHz的指令執行速度。

在三級流水線(xiàn)下，通過(guò)R15訪(fǎng)問(wèn)PC(程序計數器)時(shí)會(huì )出現取指位置和執行位置不同的現象。這須結合流水線(xiàn)的執行情況考慮，取指部件根據PC取指，取指完成后PC+4送到PC，并把取到的指令傳遞給譯碼部件，然后取指部件根據新的PC取指。因為每條指令4字節，故PC值等于當前程序執行位置+8。

1．2 ARM9流水線(xiàn)技術(shù)

ARM9系列處理器的流水線(xiàn)分為取指、譯碼、執行、訪(fǎng)存、回寫(xiě)。取指部件完成從指令存儲器取指；譯碼部件讀取寄存器操作數，與三級流水線(xiàn)中不占有數據路徑區別很大；執行部件產(chǎn)生ALU運算結果或產(chǎn)生存儲器地址(對于存儲器訪(fǎng)問(wèn)指令來(lái)講)；訪(fǎng)存部件訪(fǎng)問(wèn)數據存儲器；回寫(xiě)部件完成執行結果寫(xiě)回寄存器。把三級流水線(xiàn)中的執行單元進(jìn)一步細化，減少了在每個(gè)時(shí)鐘周期內必須完成的工作量，進(jìn)而允許使用較高的時(shí)鐘頻率，且具有分開(kāi)的指令和數據存儲器，減少了沖突的發(fā)生，每條指令的平均周期數明顯減少。

2 三級流水線(xiàn)運行情況分析

三級流水線(xiàn)在處理簡(jiǎn)單的寄存器操作指令時(shí)，吞吐率為平均每個(gè)時(shí)鐘周期一條指令；但是在存在存儲器訪(fǎng)問(wèn)指令、跳轉指令的情況下會(huì )出現流水線(xiàn)阻斷情況，導致流水線(xiàn)的性能下降。圖1給出了流水線(xiàn)的最佳運行情況，圖中的MOV、ADD、SUB指令為單周期指令。從T1開(kāi)始，用3個(gè)時(shí)鐘周期執行了3條指令，指令平均周期數(CPI)等于1個(gè)時(shí)鐘周期。

ARM編程模型（重點(diǎn)）：?

ARM體系的CPU有兩種工作狀態(tài)

1、ARM狀態(tài)（學(xué)習重點(diǎn)）：處理器執行32位的字對齊的ARM指令；

2、Thumb狀態(tài)：處理器執行16位的、半字對齊的Thumb指令；

在程序運行的過(guò)程中，可以在兩種狀態(tài)之間進(jìn)行相應的轉換。處理器工作狀態(tài)的轉變并不影響處理器的工作模式和相應寄存器中的內容。

CPU上電處于A(yíng)RM狀態(tài)

三、ARM體系的CPU有以下7種工作模式：

1、用戶(hù)模式(Usr)：用于正常執行程序；

2、快速中斷模式(FIQ)：用于高速數據傳輸；

3、外部中斷模式(IRQ)：用于通常的中斷處理；

4、管理模式(svc)：操作系統使用的保護模式；

5、數據訪(fǎng)問(wèn)終止模式(abt)：當數據或指令預取終止時(shí)進(jìn)入該模式，可用于虛擬存儲以及存儲保護；

6、系統模式(sys)：運行具有特權的操作系統任務(wù)；

7、未定義指令中止模式(und)：當未定義的指令執行時(shí)進(jìn)入該模式，可用于支持硬件。?

ARM寄存器組織

一、ARM工作狀態(tài)下的寄存器組織

ARM微處理器共有37個(gè)32位寄存器，其中31個(gè)為通用寄存器，6個(gè)位狀態(tài)寄存器。但是這些寄存器不能被同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)，具體哪些寄存器是可以訪(fǎng)問(wèn)的，取決ARM處理器的工作狀態(tài)及具體的運行模式。但在任何時(shí)候，通用寄存器R14~R0、程序計數器PC（即R15）、一個(gè)狀態(tài)寄存器都是可訪(fǎng)問(wèn)的。

通用寄存器：參與運算的數據均放在通用寄存器

通用寄存器包括R0~R15,可以分為3類(lèi):

(1)未分組寄存器R0~R7

(2)分組寄存器R8~R14

(3)程序計數器PC(R15)

1.未分組寄存器R0~R7

在所有運行模式下,未分組寄存器都指向同一個(gè)物理寄存器,它們未被系統用作特殊的用途.因此在中斷或異常處理進(jìn)行運行模式轉換時(shí),由于不同的處理器運行模式均使用相同的物理寄存器,所以可能造成寄存器中數據的破壞.

2.分組寄存器R8~R14

對于分組寄存器,它們每一次所訪(fǎng)問(wèn)的物理寄存器都與當前處理器的運行模式有關(guān).對于R8~R12來(lái)說(shuō),每個(gè)寄存器對應2個(gè)不同的物理寄存器,當使用FIQ(快速中斷模式)時(shí),訪(fǎng)問(wèn)寄存器R8_fiq~R12_fiq;當使用除FIQ模式以外的其他模式時(shí),訪(fǎng)問(wèn)寄存器R8_usr~R12_usr.

對于R13,R14來(lái)說(shuō),每個(gè)寄存器對應6個(gè)不同的物理寄存器,其中一個(gè)是用戶(hù)模式與系統模式共用,另外5個(gè)物理寄存器對應其他5種不同的運行模式,并采用以下記號來(lái)區分不同的物理寄存器:

R13_

R14_

其中mode可為:usr,fiq,irq,svc,abt,und.

通用寄存器的特殊用途：?

寄存器R13在A(yíng)RM指令中常用作堆棧指針SP,但這只是一種習慣用法，用戶(hù)也可使用其他的寄存器作為堆棧指針,而在Thumb指令集中,某些指令強制性的要求使用R13作為堆棧指針.芯片中的寄存器是穩定的，不會(huì )出現問(wèn)題的。

由于處理器的每種運行模式均有自己獨立的物理寄存器R13，在用戶(hù)應用程序的初始化部分，一般都要初始化每種模式下的R13，使其指向該運行模式的?？臻g。這樣，當程序的運行進(jìn)入異常模式時(shí)，可以將需要保護的寄存器放入R13所指向的堆棧，而當程序從異常模式返回時(shí)，則從對應的堆棧中恢復，采用這種方式可以保證異常發(fā)生后程序的正常執行。

R14稱(chēng)為子程序鏈接寄存器LR(Link Register),當執行子程序調用指令(BL)時(shí),R14可得到R15(程序計數器PC)的備份.

在每一種運行模式下，都可用R14保存子程序的返回地址，當用BL或BLX指令調用子程序時(shí)，將PC的當前值復制給R14，執行完子程序后，又將R14的值復制回PC，即可完成子程序的調用返回。以上的描述可用指令完成。

執行以下任意一條指令：

MOV PC, LR

BX LR

在子程序入口處使用以下指令將R14存入堆棧：

STMFD SP！,{,LR}

對應的，使用以下指令可以完成子程序返回：

LDMFD SP！,{,PC}

R14也可作為通用寄存器。

3,程序計數器PC(R15)

寄存器R15用作程序計數器(PC)，永遠指向取指的指令地址,在A(yíng)RM狀態(tài)下,位[1:0]為0,位[31:2]用于保存PC,在Thumb狀態(tài)下,位[0]為0,位[31:1]用于保存PC.

由于A(yíng)RM體系結構采用了多級流水線(xiàn)技術(shù)，對于A(yíng)RM指令集而言，PC總是指向當前指令的下兩條指令的地址,即PC的值為當前指令的地址值加8個(gè)字節程序狀態(tài)寄存器

不同工作模式下的通用寄存器的區別：

usr/sys:R0-R15二者共用?

?

irq： R0-12，R15沒(méi)有區別

R13-irq

R14??-irq

svc:?R0-12，R15沒(méi)有區別

R13-svc

R14??-svc

und:同上

abt:同上?

fiq:?R0-R7，R15沒(méi)有區別

R9-fiq，R10-fiq，R11-fiq，R12-fiq，R13-fiq，R14-fiq?

?7種工作模式下，寄存器使用情況

4.寄存器R16

寄存器R16用作CPSR(CurrentProgram Status Register，當前程序狀態(tài)寄存器)，CPSR可在任何運行模式下被訪(fǎng)問(wèn)，它包括條件標志位、中斷禁止位、當前處理器模式標志位，以及其他一些相關(guān)的控制和狀態(tài)位。

每一種異常運行模式下又都有一個(gè)專(zhuān)用的物理狀態(tài)寄存器，稱(chēng)為SPSR(Saved Program Status Register，備份的程序狀態(tài)寄存器)，當異常發(fā)生時(shí)，SPSR用于保存CPSR的當前值，從異常退出時(shí)則可由SPSR來(lái)恢復CPSR。

由于用戶(hù)模式和系統模式不屬于異常模式，它們沒(méi)有SPSR，當在這兩種模式下訪(fǎng)問(wèn)SPSR，結果是未知的。?