ARM體系結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)2

7A?

7R?

7M?

一個單片機(jī)芯片里面包括了幾乎所有功能的芯片。并不是說結(jié)構(gòu)簡單。功能少。?

執(zhí)行程序的過程：?

1.從內(nèi)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(zhí)行指令。?

主頻高，功耗高。?

ARM7TDMI內(nèi)容：?

1.三級流水線?

2.馮諾依曼結(jié)構(gòu)（之后的ARM版本使用哈佛結(jié)構(gòu)）?

3.cpi~1.9?

4.T-thumb架構(gòu)擴(kuò)展?

ARM7／ARM9流水線技術(shù)（是為了更好的執(zhí)行程序）

1．1 ARM7流水線技術(shù)

ARM7系列處理器中每條指令分取指、譯碼、執(zhí)行三個階段，分別在不同的功能部件上依次獨(dú)立完成。取指部件完成從存儲器裝載一條指令，通過譯碼部件產(chǎn)生下一周期數(shù)據(jù)路徑需要的控制信號，完成寄存器的解碼，再送到執(zhí)行單元完成寄存器的讀取、ALU運(yùn)算及運(yùn)算結(jié)果的寫回，需要訪問存儲器的指令完成存儲器的訪問。流水線上雖然一條指令仍需3個時鐘周期來完成，但通過多個部件并行，使得處理器的吞吐率約為每個周期一條指令，提高了流式指令的處理速度，從而可達(dá)到 O．9 MIPS／MHz的指令執(zhí)行速度。

在三級流水線下，通過R15訪問PC(程序計(jì)數(shù)器)時會出現(xiàn)取指位置和執(zhí)行位置不同的現(xiàn)象。這須結(jié)合流水線的執(zhí)行情況考慮，取指部件根據(jù)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(jù)新的PC取指。因?yàn)槊織l指令4字節(jié)，故PC值等于當(dāng)前程序執(zhí)行位置+8。

1．2 ARM9流水線技術(shù)

ARM9系列處理器的流水線分為取指、譯碼、執(zhí)行、訪存、回寫。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(shù)，與三級流水線中不占有數(shù)據(jù)路徑區(qū)別很大；執(zhí)行部件產(chǎn)生ALU運(yùn)算結(jié)果或產(chǎn)生存儲器地址(對于存儲器訪問指令來講)；訪存部件訪問數(shù)據(jù)存儲器；回寫部件完成執(zhí)行結(jié)果寫回寄存器。把三級流水線中的執(zhí)行單元進(jìn)一步細(xì)化，減少了在每個時鐘周期內(nèi)必須完成的工作量，進(jìn)而允許使用較高的時鐘頻率，且具有分開的指令和數(shù)據(jù)存儲器，減少了沖突的發(fā)生，每條指令的平均周期數(shù)明顯減少。

2 三級流水線運(yùn)行情況分析

三級流水線在處理簡單的寄存器操作指令時，吞吐率為平均每個時鐘周期一條指令；但是在存在存儲器訪問指令、跳轉(zhuǎn)指令的情況下會出現(xiàn)流水線阻斷情況，導(dǎo)致流水線的性能下降。圖1給出了流水線的最佳運(yùn)行情況，圖中的MOV、ADD、SUB指令為單周期指令。從T1開始，用3個時鐘周期執(zhí)行了3條指令，指令平均周期數(shù)(CPI)等于1個時鐘周期。

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(xí)重點(diǎn)）：處理器執(zhí)行32位的字對齊的ARM指令；

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

在程序運(yùn)行的過程中，可以在兩種狀態(tài)之間進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換。處理器工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)變并不影響處理器的工作模式和相應(yīng)寄存器中的內(nèi)容。

CPU上電處于ARM狀態(tài)

三、ARM體系的CPU有以下7種工作模式：

1、用戶模式(Usr)：用于正常執(zhí)行程序；

2、快速中斷模式(FIQ)：用于高速數(shù)據(jù)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(tǒng)使用的保護(hù)模式；

5、數(shù)據(jù)訪問終止模式(abt)：當(dāng)數(shù)據(jù)或指令預(yù)取終止時進(jìn)入該模式，可用于虛擬存儲以及存儲保護(hù)；

6、系統(tǒng)模式(sys)：運(yùn)行具有特權(quán)的操作系統(tǒng)任務(wù)；

7、未定義指令中止模式(und)：當(dāng)未定義的指令執(zhí)行時進(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32位寄存器，其中31個為通用寄存器，6個位狀態(tài)寄存器。但是這些寄存器不能被同時訪問，具體哪些寄存器是可以訪問的，取決ARM處理器的工作狀態(tài)及具體的運(yùn)行模式。但在任何時候，通用寄存器R14~R0、程序計(jì)數(shù)器PC（即R15）、一個狀態(tài)寄存器都是可訪問的。

通用寄存器：參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)均放在通用寄存器

通用寄存器包括R0~R15,可以分為3類:

(1)未分組寄存器R0~R7

(2)分組寄存器R8~R14

(3)程序計(jì)數(shù)器PC(R15)

1.未分組寄存器R0~R7

在所有運(yùn)行模式下,未分組寄存器都指向同一個物理寄存器,它們未被系統(tǒng)用作特殊的用途.因此在中斷或異常處理進(jìn)行運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換時,由于不同的處理器運(yùn)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(shù)據(jù)的破壞.

2.分組寄存器R8~R14

對于分組寄存器,它們每一次所訪問的物理寄存器都與當(dāng)前處理器的運(yùn)行模式有關(guān).對于R8~R12來說,每個寄存器對應(yīng)2個不同的物理寄存器,當(dāng)使用FIQ(快速中斷模式)時,訪問寄存器R8_fiq~R12_fiq;當(dāng)使用除FIQ模式以外的其他模式時,訪問寄存器R8_usr~R12_usr.

對于R13,R14來說,每個寄存器對應(yīng)6個不同的物理寄存器,其中一個是用戶模式與系統(tǒng)模式共用,另外5個物理寄存器對應(yīng)其他5種不同的運(yùn)行模式,并采用以下記號來區(qū)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ARM指令中常用作堆棧指針SP,但這只是一種習(xí)慣用法，用戶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(qiáng)制性的要求使用R13作為堆棧指針.芯片中的寄存器是穩(wěn)定的，不會出現(xiàn)問題的。

由于處理器的每種運(yùn)行模式均有自己獨(dú)立的物理寄存器R13，在用戶應(yīng)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(yùn)行模式的棧空間。這樣，當(dāng)程序的運(yùn)行進(jìn)入異常模式時，可以將需要保護(hù)的寄存器放入R13所指向的堆棧，而當(dāng)程序從異常模式返回時，則從對應(yīng)的堆棧中恢復(fù)，采用這種方式可以保證異常發(fā)生后程序的正常執(zhí)行。

R14稱為子程序鏈接寄存器LR(Link Register),當(dāng)執(zhí)行子程序調(diào)用指令(BL)時,R14可得到R15(程序計(jì)數(shù)器PC)的備份.

在每一種運(yùn)行模式下，都可用R14保存子程序的返回地址，當(dāng)用BL或BLX指令調(diào)用子程序時，將PC的當(dāng)前值復(fù)制給R14，執(zhí)行完子程序后，又將R14的值復(fù)制回PC，即可完成子程序的調(diào)用返回。以上的描述可用指令完成。

執(zhí)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(yīng)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(jì)數(shù)器PC(R15)

寄存器R15用作程序計(jì)數(shù)器(PC)，永遠(yuǎn)指向取指的指令地址,在ARM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ARM體系結(jié)構(gòu)采用了多級流水線技術(shù)，對于ARM指令集而言，PC總是指向當(dāng)前指令的下兩條指令的地址,即PC的值為當(dāng)前指令的地址值加8個字節(jié)程序狀態(tài)寄存器

不同工作模式下的通用寄存器的區(qū)別：

usr/sys:R0-R15二者共用?

?

irq： R0-12，R15沒有區(qū)別

R13-irq

R14??-irq

svc:?R0-12，R15沒有區(qū)別

R13-svc

R14??-svc

und:同上

abt:同上?

fiq:?R0-R7，R15沒有區(qū)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(dāng)前程序狀態(tài)寄存器)，CPSR可在任何運(yùn)行模式下被訪問，它包括條件標(biāo)志位、中斷禁止位、當(dāng)前處理器模式標(biāo)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(yùn)行模式下又都有一個專用的物理狀態(tài)寄存器，稱為SPSR(Saved Program Status Register，備份的程序狀態(tài)寄存器)，當(dāng)異常發(fā)生時，SPSR用于保存CPSR的當(dāng)前值，從異常退出時則可由SPSR來恢復(fù)CPSR。

由于用戶模式和系統(tǒng)模式不屬于異常模式，它們沒有SPSR，當(dāng)在這兩種模式下訪問SPSR，結(jié)果是未知的。?