嵌入式系统教学课件：第3章 ARM微处理器体系结构与指令集.ppt

第3章 ARM微处理器体系结构与指令集 主要内容 － ARM体系结构的特点 － ARM微处理器体系结构 － ARM处理器的工作模式 － ARM处理器的寄存器组织 － 流水线 － ARM处理器的存储 － ARM处理器的异常 － ARM处理器的指令系统 － ARM处理器的寻址方式 － ARM指令集 － Thumb指令集 3.1 ARM体系结构的特点 RISC型处理器结构 Thumb指令集 多处理器状态模式 两种处理器工作状态 嵌入式在线仿真调试 灵活方便的接口 低电压功耗的设计 ARM微处理器的特点 采用RISC架构的ARM微处理器一般具有如下特点： 1、体积小、低功耗、低成本、高性能； 3、支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好的兼容8位/16位器件； 3、大量使用寄存器，指令执行速度更快； 4、大多数数据操作都在寄存器中完成； 5、寻址方式灵活简单，执行效率高； 6、指令长度固定； 3.2 ARM处理器体系结构 嵌入式处理器的基本结构（1） 微处理器是整个系统的核心，通常由3大部分组成：控制单元、算术逻辑单元和寄存器。 嵌入式处理器的基本结构（2） 控制单元：主要负责取指、译码和取操作数等基本动作，并发送主要的控制指令。控制单元中包括两个重要的寄存器：程序计数器（PC）和指令寄存器（IR）。程序计数器用于记录下一条程序指令在内存中的位置，以便控制单元能到正确的内存位置取指；指令寄存器负责存放被控制单元所取的指令，通过译码，产生必要的控制信号送到算术逻辑单元进行相关的数据处理工作。 嵌入式处理器的基本结构（2） 算术逻辑单元：算术逻辑单元分为两部分，一部分是算术运算单元，主要处理数值型的数据，进行数学运算，如加、减、乘、除或数值的比较；另一部分是逻辑运算单元，主要处理逻辑运算工作，如AND、OR、XOR或NOT等运算。 嵌入式处理器的基本结构（2） 寄存器：用于存储暂时性的数据。主要是从存储器中所得到的数据（这些数据被送到算术逻辑单元中进行处理）和算术逻辑单元中处理好的数据（再进行算术逻辑运行或存入到存储器中。 3.2.1 ARM处理器的工作状态 处理器有两种工作状态： ARM：32位，执行字对准的ARM指令 Thumb：16位，执行半字对准的Thumb指令 ARM和Thumb之间状态的切换不影响处理器的模式或寄存器的内容 ARM微处理器：处理器工作状态 进入Thumb状态： 执行BX指令，并设置操作数寄存器的状态（位[0]）为1。 在Thumb状态进入异常(IRQ, FIQ, UNDEF, ABORT,SWI etc.)，当异常处理返回时自动转换到Thumb状态 进入ARM状态： 执行BX指令，并设置操作数寄存器的状态（位[0]）为0。 进入异常时，将PC放入异常模式链接寄存器中，从异常向量地址开始执行也可进入ARM状态 3.2.2 寄存器组织 ARM处理器有37个寄存器 30个通用寄存器：堆栈及其他通用寄存器 6个状态寄存器 1个PC（程序计数器） 这些寄存器不能同时看到 不同的处理器状态和工作模式确定哪些寄存器是对编程者是可见的 ARM微处理器： ARM State寄存器 1.ARM状态下的通用寄存器 通用寄存器包括R0～R15，可以分为三类： 未分组寄存器R0～R7； 分组寄存器R8～R14 程序计数器PC(R15) 未分组寄存器R0～R7 所有模式下，R0-R7所对应的物理寄存器都是相同的 这八个寄存器是真正意义上的通用寄存器，ARM体系结构中对它们没有作任何特殊的假设，它们的功能都是等同的。 在中断或者异常处理程序中一般都需要对这几个寄存器进行保存。 分组寄存器R8～R14 访问的物理寄存器取决于当前的处理器模式，若要访问特定的物理寄存器而不依赖当前的处理器模式，则要使用规定的名字。 R8-R13各有两组物理寄存器：一组为FIQ模式，另一组是除FIQ以外的其他模式。 R13-R14各有6个分组的物理寄存器，一个用于用户模式和系统模式，其他5个分别用于5种异常模式。 R13（也被称为SP指针）被用作栈指针，通常在系统初始化时需要对所有模式下的SP指针赋值，当CPU在不同的模式时栈指针会被自动切换成相应模式下的值。 R14有两个用途，一是在调用子程序时用于保存调用返回地址，二是在发生异常时用于保存异常返回地址。 程序计数器PC(R15) 用作程序计数器(PC)，可以被读写 ARM state: bits [1:0]为0，bits[31:3]即为 PC. THUMB state：bit [0]为0，bits[31:1]即为 PC 3.ARM状态下的状态寄存器R16 寄存器R16用作CPSR(Current Program Status Register，当前程序状态