ARMLinuxTraining(2)

ARM體系構(gòu)造與編程模型第1頁(yè)ARM介紹ARM是AdvancedRISCMachines縮寫，它是一家微處理器行業(yè)著名公司，該公司設(shè)計(jì)了大量高性能、便宜、耗能低RISC（精簡(jiǎn)指令集）處理器。ARM公司特點(diǎn)是只設(shè)計(jì)芯片，而不生產(chǎn)。它將技術(shù)授權(quán)給世界上許多著名半導(dǎo)體、軟件和OEM廠商，并提供服務(wù)。第2頁(yè)ARM授權(quán)模型將技術(shù)授權(quán)給其他芯片廠商形成各具特色ARM芯片...第3頁(yè)ARM體系構(gòu)造

ARM處理器為RISC芯片，其簡(jiǎn)單構(gòu)造使ARM內(nèi)核非常小，這使得器件功耗也非常低。它具有典型RISC特點(diǎn)：大、統(tǒng)一寄存器文獻(xiàn)裝載/保存構(gòu)造，數(shù)據(jù)處理操作只針對(duì)寄存器內(nèi)容，而不直接對(duì)存放器進(jìn)行操作簡(jiǎn)單尋址模式統(tǒng)一和固定長(zhǎng)度指令域，簡(jiǎn)化了指令譯碼第4頁(yè)ARM體系構(gòu)造版本ARM體系構(gòu)造從最初開發(fā)到目前有了巨大改善，并仍在完善和發(fā)展。為了清楚體現(xiàn)每個(gè)ARM應(yīng)用實(shí)例所使用指令集，ARM公司定義了7種主要ARM指令集體系構(gòu)造版本，以版本號(hào)v1～v7表達(dá)。第5頁(yè)ARM-v1

該版本ARM體系構(gòu)造，只有26位尋址空間，沒有商業(yè)化，其特點(diǎn)為：基本數(shù)據(jù)處理指令（不包括乘法）；字節(jié)、字和半字加載/存放指令；具有分支指令，包括在子程序調(diào)用中使用分支和鏈接指令；在操作系統(tǒng)調(diào)用中使用軟件中斷指令。第6頁(yè)ARM-v2同樣為26位尋址空間，目前已經(jīng)廢棄不再使用，它相對(duì)v1版本有下列改善：具有乘法和乘加指令；支持協(xié)處理器；迅速中斷模式中兩個(gè)以上分組寄存器；具有原子性加載/存放指令SWP和SWPB。第7頁(yè)ARM-v3尋址范圍擴(kuò)展到32位（也基本廢棄），具有獨(dú)立程序：具有乘法和乘加指令；支持協(xié)處理器；迅速中斷模式中具有兩個(gè)以上分組寄存器；具有原子性加載/存放指令SWP和SWPB。第8頁(yè)ARM-v4不再為了與此前版本兼容而支持26位體系構(gòu)造，并明確了哪些指令會(huì)引發(fā)未定義指令異常發(fā)生，它相對(duì)v3版本作了下列改善：半字加載/存放指令；字節(jié)和半字加載和符號(hào)擴(kuò)展指令；具有能夠轉(zhuǎn)換到Thumb狀態(tài)指令；顧客模式寄存器新特權(quán)處理器模式。第9頁(yè)ARM-v5在v4版本基礎(chǔ)上，對(duì)指令定義進(jìn)行了必要修正，對(duì)v4版本體系構(gòu)造進(jìn)行了擴(kuò)展并增加了指令，如下：改善了ARM/Thumb狀態(tài)之間切換效率；允許非T變量和T變量同樣，使用相同代碼生成技術(shù)；增加計(jì)數(shù)前導(dǎo)零指令和軟件斷點(diǎn)指令；對(duì)乘法指令如何設(shè)置標(biāo)志作了嚴(yán)格定義。第10頁(yè)ARM-v6ARMArchitectureVersion6contains81newinstructionsSeveraladditionalclassesofinstructionPackeddataSIMD(SingleInstructionMultipleData)“SumofAbsoluteDifference”operationMoresaturatedarithmeticSupportformixedendiannessExceptionentryandreturninstructionsUnlikesomepreviousextensionstotheinstructionset(e.g.BLXoffset),theV6extensioninstructionsaremainlyconditionalAllareconditionalexceptwhereindicatedinthefollowingtext第11頁(yè)ARM-v7新基于ARMv7架構(gòu)處理器將為系統(tǒng)設(shè)計(jì)者提供更多選擇，能夠?yàn)閼?yīng)用目標(biāo)選擇更合適CPU。同步提供性能、功耗控制、代碼大小以及芯片成本方面優(yōu)化。采取了Thumb-2技術(shù)，比32位代碼減少使用31%內(nèi)存，減小系統(tǒng)開銷，比Thumb技術(shù)增加38%性能減少了對(duì)文字池訪問頻度，這更使得設(shè)計(jì)者在只實(shí)現(xiàn)一種TCMRAM時(shí),性能惡化降到最低第12頁(yè)4THalfwordandsignedhalfword/bytesupportSystemmodeThumbinstructionsetImprovedARM/ThumbInterworkingCLZSaturatedarithmeticDSPmultiply-accumulateinstructionsExtensions:Jazelle(5TEJ)5TE6SIMDInstructionsMulti-processingV6MemoryarchitectureUnaligneddatasupportExtensions:Thumb-2(6T2)TrustZone(6Z)7Thumb-2CoreSight7A(Applications)NEON7R(Real-time)Hardwaredivide7M(Microcontroller)Thumb-2ONLYARM體系發(fā)展第13頁(yè)ARM處理器和體系構(gòu)造 Processorcore ArchitectureARM7TDMIfamily v4TARM720T,ARM740TARM9TDMIfamily v4TARM920T,ARM922T,ARM940TARM9Efamily v5TE,v5TEJARM946E-S,ARM966E-S,ARM926EJ-SARM10Efamily v5TE,v5TEJARM1020E,ARM1022E,ARM1026EJ-SARM11family v6ARM1136J(F)-S ARM1156T2(F)-S v6T2ARM1176JZ(F)-S v6ZCortexfamilyARMCortex-A8 v7AARMCortex-R4 v7RARMCortex-M3 v7M第14頁(yè)ARM處理器核介紹ARM公司開發(fā)了很多系列ARM處理器核，目前最新系列是ARM11。目前應(yīng)用比較廣泛系列是：ARM7ARM9ARM9EARM10SecurCoreXscaleCortex第15頁(yè)ARM7系列支持高密度16位Thumb指令集；支持片上調(diào)試；支持64位乘法；支持EmbededICE觀測(cè)硬件；ARM7TDMI可綜合（synthesizable）版本（軟核），對(duì)應(yīng)用工程師來說其編程模型與ARM7TDMI一致；ARM7TDMI-S第16頁(yè)處理器執(zhí)行指令典型步驟從存放器讀取指令（fetch）譯碼以鑒別它是屬于哪一條指令（dec）從指令中提取指令操作數(shù)（這些操作數(shù)往往存在于寄存器中）（reg）將操作數(shù)進(jìn)行組合以得到成果或存放器地址（ALU）假如需要，則訪問存放器以存放數(shù)據(jù)（mem）將成果寫回到寄存器堆（res）第17頁(yè)3級(jí)流水線指令執(zhí)行過程取指：從存放器裝載指令；譯碼：對(duì)剛裝載指令進(jìn)行識(shí)別；執(zhí)行：處理指令并把成果寫回對(duì)應(yīng)寄存器取指譯碼執(zhí)行指令從存放器中取出對(duì)指令使用寄存器進(jìn)行譯碼從寄存器組中讀出寄存器，執(zhí)行移位和ALU操作，寄存器被寫回到寄存器組中第18頁(yè)3級(jí)流水線ARM組織第19頁(yè)流水線使用實(shí)例ADDr1r2SUBr3r2CMPr1r3在第一種周期，內(nèi)核從存放器取出指令A(yù)DD；在第二個(gè)周期，內(nèi)核取出指令SUB，同步對(duì)ADD譯碼；在第三個(gè)周期，ADD被執(zhí)行，而SUB被譯碼，同步又取出CMP指令。第20頁(yè)ARM9/E系列第21頁(yè)5級(jí)流水線ARM組織第22頁(yè)ARM95級(jí)流水線InstructionFetchShift+ALUMemoryAccessRegWriteRegReadRegDecodeFETCHDECODEEXECUTEMEMORYWRITEARM9TDMIARMorThumb

InstDecodeRegSelectRegReadShiftALURegWriteThumb?ARM

decompressARMdecodeInstructionFetchFETCHDECODEEXECUTEARM7TDMI第23頁(yè)ARM10E系列第24頁(yè)ARM106級(jí)流水線InstructionFetchShift+ALU

+MultiplyRegWriteRegReadRegDecodeFETCHDECODEEXECUTEMEMORYWRITEARMorThumb

InstDecodeARM10Shift+ALUMemoryAccessRegWriteFETCHDECODEEXECUTEMEMORYWRITERegReadMultiplyMultiplyAddBranchPredictionInstructionFetchISSUEMemoryAccessARMorThumbInstructionDecode第25頁(yè)ARM11系列第26頁(yè)ARM體系構(gòu)造支持?jǐn)?shù)據(jù)類型ARM處理器支持下列數(shù)據(jù)類型字節(jié)8位半字16位（必須分派為占用2個(gè)字節(jié)）字32位（必須分派為占用4個(gè)字節(jié)）Byteaccess

(bytealigned)Halfwordaccess(halfwordaligned)Wordaccess(wordaligned)3210765402468ace089abcdef48c第27頁(yè)數(shù)據(jù)類型注意事項(xiàng)第28頁(yè)浮點(diǎn)數(shù)據(jù)類型浮點(diǎn)運(yùn)算使用在ARM硬件指令集中未定義數(shù)據(jù)類型ARM公司在協(xié)處理器指令空間定義了一系列浮點(diǎn)指令。一般這些指令所有通過未定義指令異常在軟件中實(shí)現(xiàn)ARM公司還提供了用C語言編寫浮點(diǎn)庫(kù)作為ARM浮點(diǎn)指令集替代辦法第29頁(yè)存放器大/小端從軟件角度看，內(nèi)存相對(duì)于一種大字節(jié)數(shù)組，其中每個(gè)數(shù)組元素（字節(jié)）都是可尋址。ARM支持兩種內(nèi)存模式：大端模式（big－endian）/小端模式（little－endian）第30頁(yè)大小端實(shí)例大端模式小端模式第31頁(yè)處理器狀態(tài)ARM7TDMI處理器有兩種操作狀態(tài)：ARM狀態(tài)：32位，這種狀態(tài)下執(zhí)行是字方式ARM指令；Thumb狀態(tài)：16位，這種狀態(tài)下執(zhí)行半字方式Thumb指令。第32頁(yè)處理器狀態(tài)轉(zhuǎn)換使用BX指令將ARM7TDMI內(nèi)核操作狀態(tài)在ARM狀態(tài)和Thumb狀態(tài)之間進(jìn)行切換，程序如下：;從Arm狀態(tài)切換到Thumb狀態(tài)LDRR0,=Lable+1BXR0;從Thumb狀態(tài)切換到ARM狀態(tài)LDRR0,=LableBXR0地址最低位為1，表達(dá)切換到Thumb狀態(tài)地址最低位為0，表達(dá)切換到ARM狀態(tài)跳轉(zhuǎn)地址標(biāo)號(hào)第33頁(yè)ARM處理器模式ARM體系構(gòu)造支持7種處理器模式，分別為：顧客模式、快中斷模式、中斷模式、管理模式、中斷模式、未定義模式和系統(tǒng)模式這樣好處是能夠更加好支持操作系統(tǒng)并提升工作效率。第34頁(yè)ARM處理器模式處理器模式說明備注顧客(usr)正常程序工作模式不能直接切換到其他模式系統(tǒng)(sys)用于支持操作系統(tǒng)特權(quán)任務(wù)等與顧客模式類似，但具有能夠直接切換到其他模式等特權(quán)快中斷(fiq)支持高速數(shù)據(jù)傳輸及通道處理FIQ異常響應(yīng)時(shí)進(jìn)入此模式中斷(irq)用于通用中斷處理IRQ異常響應(yīng)時(shí)進(jìn)入此模式管理(svc)操作系統(tǒng)保護(hù)代碼系統(tǒng)復(fù)位和軟件中斷響應(yīng)時(shí)進(jìn)入此模式中斷(abt)用于支持虛擬內(nèi)存和/或存放器保護(hù)在ARM7TDMI沒有大用處未定義(und)支持硬件協(xié)處理器軟件仿真未定義指令異常響應(yīng)時(shí)進(jìn)入此模式第35頁(yè)處理器模式說明備注顧客(usr)正常程序工作模式不能直接切換到其他模式系統(tǒng)(sys)用于支持操作系統(tǒng)特權(quán)任務(wù)等與顧客模式類似，但具有能夠直接切換到其他模式等特權(quán)快中斷(fiq)支持高速數(shù)據(jù)傳輸及通道處理FIQ異常響應(yīng)時(shí)進(jìn)入此模式中斷(irq)用于通用中斷處理IRQ異常響應(yīng)時(shí)進(jìn)入此模式管理(svc)操作系統(tǒng)保護(hù)代碼系統(tǒng)復(fù)位和軟件中斷響應(yīng)時(shí)進(jìn)入此模式中斷(abt)用于支持虛擬內(nèi)存和/或存放器保護(hù)在ARM7TDMI沒有大用處未定義(und)支持硬件協(xié)處理器軟件仿真未定義指令異常響應(yīng)時(shí)進(jìn)入此模式特權(quán)模式

除顧客模式外，其他模式均為特權(quán)模式。ARM內(nèi)部寄存器和某些片內(nèi)外設(shè)在硬件設(shè)計(jì)上只允許（或者可選為只允許）特權(quán)模式下訪問。另外，特權(quán)模式能夠自由切換處理器模式，而顧客模式不能直接切換到別模式。未定義(und)中斷(abt)管理(svc)中斷(irq)快中斷(fiq)系統(tǒng)(sys)第36頁(yè)異常模式處理器模式說明備注顧客(usr)正常程序工作模式不能直接切換到其他模式系統(tǒng)(sys)用于支持操作系統(tǒng)特權(quán)任務(wù)等與顧客模式類似，但具有能夠直接切換到其他模式等特權(quán)快中斷(fiq)支持高速數(shù)據(jù)傳輸及通道處理FIQ異常響應(yīng)時(shí)進(jìn)入此模式中斷(irq)用于通用中斷處理IRQ異常響應(yīng)時(shí)進(jìn)入此模式管理(svc)操作系統(tǒng)保護(hù)代碼系統(tǒng)復(fù)位和軟件中斷響應(yīng)時(shí)進(jìn)入此模式中斷(abt)用于支持虛擬內(nèi)存和/或存放器保護(hù)在ARM7TDMI沒有大用處未定義(und)支持硬件協(xié)處理器軟件仿真未定義指令異常響應(yīng)時(shí)進(jìn)入此模式未定義(und)中斷(abt)管理(svc)中斷(irq)快中斷(fiq)

這五種模式稱為異常模式。它們除了能夠通過程序切換進(jìn)入外，也能夠由特定異常進(jìn)入。當(dāng)特定異常出現(xiàn)時(shí)，處理器進(jìn)入對(duì)應(yīng)模式。每種異常模式都有某些獨(dú)立寄存器，以避免異常退出時(shí)顧客模式狀態(tài)不可靠。第37頁(yè)顧客和系統(tǒng)模式處理器模式說明備注顧客(usr)正常程序工作模式不能直接切換到其他模式系統(tǒng)(sys)用于支持操作系統(tǒng)特權(quán)任務(wù)等與顧客模式類似，但具有能夠直接切換到其他模式等特權(quán)快中斷(fiq)支持高速數(shù)據(jù)傳輸及通道處理FIQ異常響應(yīng)時(shí)進(jìn)入此模式中斷(irq)用于通用中斷處理IRQ異常響應(yīng)時(shí)進(jìn)入此模式管理(svc)操作系統(tǒng)保護(hù)代碼系統(tǒng)復(fù)位和軟件中斷響應(yīng)時(shí)進(jìn)入此模式中斷(abt)用于支持虛擬內(nèi)存和/或存放器保護(hù)在ARM7TDMI沒有大用處未定義(und)支持硬件協(xié)處理器軟件仿真未定義指令異常響應(yīng)時(shí)進(jìn)入此模式這兩種模式都不能由異常進(jìn)入，并且它們使用完全相同寄存器組。系統(tǒng)模式是特權(quán)模式，不受顧客模式限制。操作系統(tǒng)在該模式下訪問顧客模式寄存器就比較方便，并且操作系統(tǒng)某些特權(quán)任務(wù)能夠使用這個(gè)模式訪問某些受控資源。系統(tǒng)(sys)顧客(usr)第38頁(yè)ARM內(nèi)部寄存器ARM有37個(gè)32位長(zhǎng)寄存器：1個(gè)用作PC（programcounter）1個(gè)用作CPSR(currentprogramstatusregister)5個(gè)用作SPSR（savedprogramstatusregisters）30個(gè)通用寄存器第39頁(yè)ARM狀態(tài)各模式下寄存器第40頁(yè)ARM狀態(tài)各模式下寄存器SPSR_fiqSPSR_irqSPSR_undSPSR_abtSPSR_svcCPSRR15R14_fiqR14_irqR14_undR14_abtR14_svcR14R13_fiqR13_irqR13_undR13_abtR13_svcR13R12_fiqR12R11_fiqR11R10_fiqR10R9_fiqR9R8_fiqR8R7R6R5R4R3R2R1R0所有37個(gè)寄存器，提成兩類：31個(gè)通用32位寄存器；6個(gè)狀態(tài)寄存器。第41頁(yè)無CPSRR15R14R13R12R11R10R9R8R7R6R5R4R3R2R1R0顧客無CPSRR15R14R13R12R11R10R9R8R7R6R5R4R3R2R1R0系統(tǒng)SPSR_svcCPSRR15R14_svcR13_svcR12R11R10R9R8R7R6R5R4R3R2R1R0管理SPSR_abtCPSRR15R14_abtR13_abtR12R11R10R9R8R7R6R5R4R3R2R1R0中斷SPSR_undCPSRR15R14_undR13_undR12R11R10R9R8R7R6R5R4R3R2R1R0未定義SPSR_irqCPSRR15R14_irqR13_irqR12R11R10R9R8R7R6R5R4R3R2R1R0中斷SPSR_fiqCPSRR15R14_fiqR13_fiqR12_fiqR11_fiqR10_fiqR9_fiqR8_fiqR7R6R5R4R3R2R1R0快中斷ARM狀態(tài)各模式下能夠訪問寄存器第42頁(yè)一般通用寄存器R13_fiqR13_irqR13_undR13_abtR13_svcR13R12_fiqR12R11_fiqR11R10_fiqR10R9_fiqR9R8_fiqR8R7R6R5R4R3R2R1R0在匯編語言中寄存器R0～R13為保存數(shù)據(jù)或地址值通用寄存器。它們是完全通用寄存器，不會(huì)被體系構(gòu)造作為特殊用途，并且可用于任何使用通用寄存器指令。第43頁(yè)一般通用寄存器R13_fiqR13_irqR13_undR13_abtR13_svcR13R12_fiqR12R11_fiqR11R10_fiqR10R9_fiqR9R8_fiqR8R7R6R5R4R3R2R1R0R7R6R5R4R3R2R1R0其中R0～R7為未分組寄存器，也就是說對(duì)于任何處理器模式，這些寄存器都對(duì)應(yīng)于相同32位物理寄存器。第44頁(yè)一般通用寄存器R14_fiqR14_irqR14_undR14_abtR14_svcR14R13_fiqR13_irqR13_undR13_abtR13_svcR13R12_fiqR12R11_fiqR11R10_fiqR10R9_fiqR9R8_fiqR8寄存器R8～R14為分組寄存器。它們所對(duì)應(yīng)物理寄存器取決于目前處理器模式，幾乎所有允許使用通用寄存器指令都允許使用分組寄存器第45頁(yè)一般通用寄存器R12_fiqR12R11_fiqR11R10_fiqR10R9_fiqR9R8_fiqR8寄存器R8～R12有兩個(gè)分組物理寄存器。一種用于除FIQ模式之外所有寄存器模式，另一種用于FIQ模式。這樣在發(fā)生FIQ中斷后，能夠加速FIQ處理速度。第46頁(yè)一般通用寄存器寄存器R13、R14分別有6個(gè)分組物理寄存器。一種用于顧客和系統(tǒng)模式，其他5個(gè)分別用于5種異常模式。R14_fiqR14_irqR14_undR14_abtR14_svcR14R13_fiqR13_irqR13_undR13_abtR13_svcR13第47頁(yè)堆棧指針寄存器R13（SP）寄存器R13常作為堆棧指針（SP）。在ARM指令集當(dāng)中，沒有以特殊方式使用R13指令或其他功能，只是習(xí)慣上都這樣使用。在Thumb指令集中存在使用R13指令。第48頁(yè)鏈接寄存器R14（LR）R14為鏈接寄存器（LR），在構(gòu)造上有兩個(gè)特殊功能：在每種模式下，模式本身R14版本用于保存子程序返回地址；當(dāng)發(fā)生異常時(shí)，將R14對(duì)應(yīng)異常模式版本設(shè)置為異常返回地址（有些異常有一種小固定偏移量）。第49頁(yè)R14寄存器與子程序調(diào)用Lable程序A程序BR14BLLable地址A???MOVPC,LRR14(地址A)Lable???1.程序A執(zhí)行過程中調(diào)用程序B；2.程序跳轉(zhuǎn)至標(biāo)號(hào)Lable，執(zhí)行程序B。同步硬件將“BLLable”指令下一條指令所在地址存入R14；3.程序B執(zhí)行最后，將R14寄存器內(nèi)容放入PC，返回程序A；第50頁(yè)R14寄存器與異常發(fā)生異常發(fā)生時(shí)，程序要跳轉(zhuǎn)至異常服務(wù)程序，對(duì)返回地址處理與子程序調(diào)用類似，都是由硬件完成。區(qū)分在于有些異常有一種小常量偏移。第51頁(yè)R14寄存器注意重點(diǎn)R14R14_irq顧客模式下程序IRQ模式下程序AareturnB...XA地址A地址A1.執(zhí)行顧客模式下程序；2.發(fā)生IRQ中斷，硬件將某個(gè)地址存入IRQ模式下R14_irq寄存器，顧客模式下R14沒有被破壞；3.IRQ服務(wù)程序A執(zhí)行完成，將R14_irq寄存器內(nèi)容減去某個(gè)常量后存入PC，返回之前被中斷程序；未被破壞第52頁(yè)R14寄存器注意重點(diǎn)R14R14_irq顧客模式下程序IRQ模式下程序AaB...XA地址A地址A1.執(zhí)行顧客模式下程序；2.發(fā)生IRQ中斷，硬件將某個(gè)地址存入IRQ模式下R14_irq寄存器，顧客模式下R14沒有被破壞；3.IRQ服務(wù)程序A執(zhí)行完成，將R14_irq寄存器內(nèi)容減去某個(gè)常量后存入PC，返回之前被中斷程序；未被破壞IRQ模式下程序BareturnB...XA地址B地址B4.假如在IRQ處理程序中打開IRQ中斷，并且再次發(fā)生IRQ中斷，或者調(diào)用子程序；5.硬件將返回地址保存在R14_irq寄存器中，本來保存返回地址將被覆蓋，造成錯(cuò)誤；被破壞6.在程序B返回到程序A，然后在返回到顧客模式下被中斷程序時(shí)，發(fā)生錯(cuò)誤，將不能正確返回；returnreturn處理措施是確保R14對(duì)應(yīng)版本在發(fā)生中斷嵌套時(shí)不再保存任何故意義值（將R14入棧），或者切換到其他處理器模式下。第53頁(yè)程序計(jì)數(shù)器R15（PC）寄存器R15為程序計(jì)數(shù)器（PC），它指向正在取指地址。能夠以為它是一種通用寄存器，不過對(duì)于它使用有許多與指令有關(guān)限制或特殊情況。假如R15使用方式超出了這些限制，那么成果將是不可預(yù)測(cè)。第54頁(yè)讀R15限制正常操作時(shí)，從R15讀取值是處理器正在取指地址，即目前正在執(zhí)行指令地址加上8個(gè)字節(jié)（兩條ARM指令長(zhǎng)度）。由于ARM指令總是以字為單位，因此R15寄存器最低兩位總是為0。LDRR0,PC??????PCPC-4PC-8正在執(zhí)行正在譯碼正在取指流水線狀態(tài)地址程序代碼第55頁(yè)程序狀態(tài)寄存器CPSR寄存器CPSR為程序狀態(tài)寄存器，在異常模式中，另外一種寄存器“程序狀態(tài)保存寄存器（SPSR）”能夠被訪問。每種異常都有自己SPSR，在由于異常事件而進(jìn)入異常時(shí)它保存CPSR目前值，異常退出時(shí)可通過它恢復(fù)CPSR。第56頁(yè)CPSR寄存器CPSR反應(yīng)了目前處理器狀態(tài)，其包括：4個(gè)條件代碼標(biāo)志（負(fù)(N)、零(Z)、進(jìn)位(C)和溢出(V)）；2個(gè)中斷嚴(yán)禁位，分別控制一種類型中斷；5個(gè)對(duì)目前處理器模式進(jìn)行編碼位；1個(gè)用于批示目前執(zhí)行指令(ARM還是Thumb)位。第57頁(yè)CPSR寄存器格式NZCV——IM0M1M2M3M4TF—...313029282726876543210條件代碼標(biāo)志保存控制位溢出標(biāo)志進(jìn)位或借位擴(kuò)展零負(fù)或不大于IRQ嚴(yán)禁FIQ嚴(yán)禁狀態(tài)位模式位NZCVIM0M1M2M3M4TF第58頁(yè)CPSR模式位設(shè)置表第59頁(yè)備份程序狀態(tài)寄存器每一種處理器模式下都有一種專用物理寄存器，成為備份程序狀態(tài)寄存器SPSR（SavedProgramStatusRegister）。當(dāng)特定異常中斷發(fā)生時(shí)，這個(gè)物理寄存器負(fù)責(zé)寄存目前程序狀態(tài)寄存器內(nèi)容。當(dāng)異常處理程序返回時(shí)，再將其內(nèi)容恢復(fù)到目前程序狀態(tài)寄存器由于顧客模式和系統(tǒng)模式不屬于異常中斷模式，因此它們沒有SPSR。第60頁(yè)異常只要正常程序流被臨時(shí)中斷，處理器就進(jìn)入異常模式。例如響應(yīng)一種來自外設(shè)中斷。在處理異常之前，ARM內(nèi)核保存目前處理器狀態(tài)，這樣當(dāng)處理程序結(jié)束時(shí)能夠恢復(fù)執(zhí)行本來程序。假如同步發(fā)生兩個(gè)或更多異常，那么將按照固定次序來處理異常第61頁(yè)ARM異常類型ARM一共有7種類型異常，按優(yōu)先級(jí)從高到低排列如下：復(fù)位異常（Reset）數(shù)據(jù)異常（DataAbort）迅速中斷異常（FIQ）外部中斷異常（IRQ）預(yù)取異常（PrefetchAbort）軟件中斷(SWI)未定義指令異常（Undefinedinstruction）第62頁(yè)復(fù)位異常當(dāng)處理器復(fù)位引腳有效時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生復(fù)位異常中斷，程序跳轉(zhuǎn)到復(fù)位異常中斷處理程序處執(zhí)行。復(fù)位異常中斷一般用在下面兩種情況下：系統(tǒng)上電系統(tǒng)復(fù)位第63頁(yè)數(shù)據(jù)訪問中斷異常數(shù)據(jù)訪問中斷異常是由存放器發(fā)出數(shù)據(jù)中斷信號(hào)，它由存放器訪問指令（Load/Store）產(chǎn)生。當(dāng)數(shù)據(jù)訪問指令目標(biāo)地址不存在，或者該地址不允許目前指令訪問，處理器產(chǎn)生該異常。包括兩種類型：數(shù)據(jù)中斷發(fā)生在對(duì)數(shù)據(jù)訪問時(shí)預(yù)取中斷發(fā)生在指令預(yù)取過程中第64頁(yè)數(shù)據(jù)訪問中斷異常數(shù)據(jù)訪問中斷異常是由存放器發(fā)出數(shù)據(jù)中斷信號(hào)，它由存放器訪問指令（Load/Store）產(chǎn)生。當(dāng)數(shù)據(jù)訪問指令目標(biāo)地址不存在，或者該地址不允許目前指令訪問，處理器產(chǎn)生數(shù)據(jù)訪問中斷異常。在修復(fù)產(chǎn)生中斷原因后，不論處于哪種處理器操作狀態(tài)，處理程序都執(zhí)行下面返回指令：SUBSPC,R14_abt,#8第65頁(yè)預(yù)取指令異常當(dāng)處理器試圖去取一條被標(biāo)識(shí)為預(yù)取無效指令時(shí)，發(fā)生預(yù)取異常。假如系統(tǒng)中不包括MMU時(shí)，指令預(yù)取異常中斷處理程序只是簡(jiǎn)單地報(bào)告錯(cuò)誤并退出。若包括MMU，引發(fā)異常指令物理地址被存放到內(nèi)存中。在處理中斷原因之后，不論處于哪種處理器操作狀態(tài)，處理程序都會(huì)執(zhí)行下面指令恢復(fù)PC和CPSR并重試被中斷指令：SUBSPC,R14_abt,#4第66頁(yè)迅速中斷FIQ當(dāng)處理器外部迅速中斷祈求引腳有效，且CPSR寄存器F控制位被清除時(shí)，處理器產(chǎn)生外部中斷祈求FIQ異常。不論異常入口是來自ARM狀態(tài)還是Thumb狀態(tài)，F(xiàn)IQ處理程序都會(huì)通過執(zhí)行下面指令從中斷返回： SUBSPC,R14_fiq,#4在一種特權(quán)模式中，能夠通過置位CPSR中F位來嚴(yán)禁FIQ異常。第67頁(yè)外部中斷IRQ當(dāng)處理器外部中斷祈求引腳有效，并且CPSR寄存器I控制位被清除時(shí)，處理器產(chǎn)生外部中斷IRQ異常。不論異常入口是來自ARM狀態(tài)還是Thumb狀態(tài)，F(xiàn)IQ處理程序都會(huì)通過執(zhí)行下面指令從中斷返回： SUBSPC,R14_fiq,#4第68頁(yè)軟中斷SWI使用軟件中斷(SWI)指令能夠進(jìn)入管理模式，一般用于祈求一種特定管理函數(shù)。SWI處理程序通過執(zhí)行下面指令返回：MOVSPC,R14_svc這個(gè)動(dòng)作恢復(fù)了PC和CPSR并返回到SWI之后指令。SWI處理程序讀取操作碼以提取SWI函數(shù)編號(hào)。第69頁(yè)未定義指令異常當(dāng)處理器遇到一條自己和系統(tǒng)內(nèi)任何協(xié)處理器都無法處理指令時(shí)，ARM內(nèi)核執(zhí)行未定義指令陷阱。軟件可使用這一機(jī)制通過模擬未定義協(xié)處理器指令來擴(kuò)展ARM指令集。在模擬處理了失敗指令后，陷阱程序執(zhí)行下面指令：

MOVSPC,R14_svc這個(gè)動(dòng)作恢復(fù)了PC和CPSR并返回到未定義指令之后指令。第70頁(yè)異常入口/出口異常或入口返回指令之前狀態(tài)備注ARMR14_xThumbR14_xBLMOVPC,R14PC+4PC+2此處PC為BL，SWI，為定義指令取指或預(yù)取指中斷指令地址SWIMOVSPC,R14_svcPC+4PC+2未定義指令MOVSPC,R14_undPC+4PC+2預(yù)取指中斷SUBSPC,R14_abt,#4PC+4PC+4快中斷SUBSPC,R14_fiq,#4PC+4PC+4此處PC為由于FIQ或IRQ占先而沒有被執(zhí)行指令地址中斷SUBSPC,R14_irq,#4PC+4PC+4數(shù)據(jù)中斷SUBSPC,R14_abt,#8PC+8PC+8此處PC為產(chǎn)生數(shù)據(jù)中斷裝載或保存指令地址。復(fù)位無——復(fù)位時(shí)保存在R14_svc中值不可預(yù)知。第71頁(yè)異常入口和出口處理假如異常處理程序已經(jīng)把返回地址拷貝到堆棧，那么能夠使用一條多寄存器傳送指令來恢復(fù)顧客寄存器并實(shí)現(xiàn)返回中斷處理代碼開始部分和退出部分：SUBLR,LR,#4 ;計(jì)算返回地址STMFDSP!,{R0-R3,LR} ;保存使用到寄存器...LDMFDSP!,{R0-R3,PC}^ ;中斷返回注意：中斷返回指令寄存器列表（其中必須包括PC）后“^”符號(hào)表達(dá)這是一條特殊形式指令。這條指令在從存放器中裝載P