三章ARM体系结构

ARM指令的寻址方式
多寄存器寻址和堆栈寻址之间的关系 堆栈 之前 之后 之前 之后
LDMDA LDMFA
向上生长 满
STMIB STMFA STMIA STMEA LDMDB LDMEA
向下生长 满 空
LDMIB LDMED LDMIA LDMFD STMDB STMFD STMDA STMED
多寄存器 寻址
ARM指令的寻址ห้องสมุดไป่ตู้式
STMFA r13!, {r0-r5} ; Push onto a Full Ascending Stack LDMFA r13!, {r0-r5} ; Pop from a Full Ascending Stack STMFD r13!, {r0-r5} ; Push onto a Full Descending Stack LDMFD r13!, {r0-r5} ; Pop from a Full Descending Stack STMEA r13!, {r0-r5} ; Push onto an Empty Ascending Stack LDMEA r13!, {r0-r5} ; Pop from an Empty Ascending Stack STMED r13!, {r0-r5} ; Push onto Empty Descending Stack LDMED r13!, {r0-r5} ; Pop from an Empty Descending Stack
ARM指令的寻址方式
堆栈寻址 堆栈是一种数据结构,按先进后出( 堆栈是一种数据结构,按先进后出(First In Last Out,FILO)的 , ) 方式工作,使用一个称作堆栈指针的专用寄存器指示当前的操作位置,堆 方式工作,使用一个称作堆栈指针的专用寄存器指示当前的操作位置, 栈指针总是指向栈顶. 栈指针总是指向栈顶. 当堆栈指针指向最后压入堆栈的数据时,称为满堆栈( 满堆栈 ), 当堆栈指针指向最后压入堆栈的数据时,称为满堆栈(Full Stack), 而当堆栈指针指向下一个将要放入数据的空位置时,称为空堆栈 空堆栈( 而当堆栈指针指向下一个将要放入数据的空位置时,称为空堆栈(Empty Stack). ) 同时,根据堆栈的生成方式,又可以分为递增堆栈( 同时,根据堆栈的生成方式,又可以分为递增堆栈(Ascending 递增堆栈 Stack)和递减堆栈(Decending Stack),当堆栈由低地址向高地址 ),当堆栈由低地址向高地址 ) 递减堆栈( ), 生成时,称为递增堆栈,当堆栈由高地址向低地址生成时,称为递减堆栈. 生成时,称为递增堆栈,当堆栈由高地址向低地址生成时,称为递减堆栈. 这样就有四种类型的堆栈工作方式, 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 微处理器支持这四种类型的堆栈 工作方式, 工作方式,即:

规则： | ARMv | n | variants | x（variants） | 分成四个组成部分： ·ARMv -- 固定字符，即ARM Version ·n -- 指令集版本号。迄今为之，ARM架构版本发布了7个系列， 所以n=[1:7]。其中最新的版本是第7版 ·variants -- 变种。 ·x（variants） -- 排除x后指定的变种 常见的变种有： ·T -- Thumb指令集 ·M -- 长乘法指令 ·E -- 增强型DSP指令 ·J -- Java加速器Jazelle ·SIMD -- ARM媒体功能扩展
和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小 ，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的 主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称微控制 器。
嵌入式微控制器
嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较有代表性的通用 系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、 C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。另外还有许多半通 用系列如：支持USB接口的MCU 8XC930/931、C540、C541； 支持I2C、CAN-Bus、LCD及众多专用MCU和兼容系列。目前
2021/2/5
ARM分类
基于指令集体系结构（构架ISA）的分类 ARM V1 体系是最初版本，只有26位的寻址空间，没有乘法指 令，最终没有商业化 ARM V2 体系与V1体系同为26位寻址空间，具有乘法和加法指 令，支持协处理器 ARM V3 体系的寻址范围扩展到32位，具有乘法和加法指令， 支持协处理器 ARM V4 体系增加了半字存储操作，对调试的支持以及支持嵌 入的ICE ARM V5 体系增加了DSP指令支持和对Java指令的支持 ARM V6 体系增加了媒体指令，ARMv6指令集合中加入了超过 60条SIMD单指令多数据指令 ARM V7 体系定义了三种独立的内核型－－A(应用领域)， R( 实时领域)，M(控制领域)

嵌入式系统设计导论—基于32位微处理器与实时操作系统第三讲 ARM嵌入式微处理器体系结构北京航空航天大学机器人研究所魏洪兴本节提要1ARM编程模型ARM 异常处理嵌入式处理器概述l嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心。

目前32位嵌入式微处理器是市场的主流。

l32位嵌入式微处理器市场，我们可以发现超过100家的芯片供应商和近30种指令体系结构。

l在1996年以前，最成功的嵌入式微处理器是Motorola公司的68000系列。

此外嵌入式微处理器市场还包括其它体系结构，如Intel公司的I960，Motorola公司的Coldfire，Sun公司的Sparc，以及嵌入式X86系列平台。

l当然，最引人注目的还是ARM公司的ARM系列、MIPS公司的MIPS系列，以及Hitachi公司的SuperH系列（其中ARM和MIPS 都知识产权公司，把他们的微处理器IP技术授权给半导体厂商，由他们生产形态各异的微处理器芯片）。

l功耗。

一般的嵌入式微处理器都有三种运行模式：运行模式（operational）；待机模式（standby or power down）；停机模式（and clock-off）。

功耗的评测指标是MIPS/W；l代码存储密度。

传统的CISC指令集计算机具有较好的代码存储密度。

而RICS指令集计算机由于要求指令编码长度固定，虽然可以简化和加速指令译码过程，但为了实现与CISC指令集计算机相同的作业，往往需要更多的指令来完成，从而增加了代码长度。

如Hitachi的SuperH体系结构采用了定长的16位指令，对每条指令按16位的格式存储。

ARM则采用16位扩展的Thumb指令集，片内的逻辑译码器将其等价为32位的ARM指令而实时解码。

而MIPS则采用MIPS16方法来解决这个问题。

（影响代码密度的另外一个主要因素是所采用的C编译器。

ANSI C是当前嵌入式领域的标准编程语言，随着嵌入式微处理器性能的提高，面向对象的语言也将被采用并会逐渐成为主流，一些编译器供应商已经开始着手解决代码密度问题。

ARM7微处理器系列具有如下特点：
－ 能够提供0.9MIPS/MHz的三级流水线结构。 － 代码密度高并兼容16位的Thumb指令集。 － 主频最高可达130MIPS，高速的运算处理能力能胜任绝大多数
的复杂应用。
ARM7系列微处理器包括如下几种类型的核：ARM7TDMI、 ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ。其中， ARM7TMDI是目前使用最AR广M体泛系结的构介3绍 2位嵌入式RISC处理器，
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
两种工作状态可以相互切 换，当处在Thumb状态下 发生外部中断或异常时， 处理完毕后，程序会自动
ARM体系结构介绍 跳回Thumb状态
特殊的寄存器
ARM体系结构
R13，堆栈指针寄存器，处理器的每种运行模式均有自己独立的物 理寄存器R13，在程序初始化时，一般都要初始化每种模式下的 R13，使其指向该运行模式的栈空间，这样，当程序进入异常模式 时，可以将需要保护的寄存器放入R13所指向的堆栈，而当程序从 异常模式返回时，则从对应的堆栈中恢复，采用这种方式可以保证 异常发生后程序的正常执行。
R15，用作程序计数器（PC）。指示当前程序进行的指令地址。
ARM体系结构介绍
模式切换的寄存器保护
ARM体系结构
先是初始化各种处理器模式下 的堆空间地址。
当进入相应的模式时，将需要 保存的寄存器保存到R13所指 定的该模式的堆栈空间，如左 图，SVC定义的为Task Stack 空间，IRQ定主的IRQ Stack 空间。
R14，也称作子程序连接寄存器（Subroutine Link Register） 或连接寄存器LR。当执行BL子程序调用指令时，R14中得到R15 （程序计数器PC）的备份。