Transcript ARM體系結構及編程模型

嵌入式系统教案
武汉创维特信息技术有限公司
2020/4/30
提綱
第二章 ARM體系結構及編程模型
1
ARM技術的應用領域及特點
2 ARM微處理器系列
3 ARM處理器的工作狀態
4 ARM處理器的工作模式
5 ARM處理器的記憶體格式
6 ARM 處理器的暫存器組織
7
ARM 例外處理
2
ARM技術的應用領域及特點
ARM－Advanced RISC Machines
 ARM（Advanced RISC Machines），既可以認爲是
一個公司的名字，也可以認爲是對一類微處理器的通稱，
還可以認爲是一種技術的名字。
 1991年ARM公司成立於英國康橋，主要出售晶片設
計技術的授權。
3
ARM技術的應用領域及特點
ARM 公司的Chip less模式
 世界各大半導體生産商從ARM公司購買其設計的ARM微處
理器核，根據各自不同的應用領域，加入適當的週邊電路，
從而形成自己的ARM微處理器晶片進入市場。
 基於ARM技術的微處理器應用約佔據了32位RISC微處
理器75％以上的市場份額，ARM技術正在逐步滲入到我們
生活的各個方面。
 我國的中興積體電路、大唐電訊、中芯國際和上海華虹，
以及國外的一些公司如德州儀器、意法半導體、Philips、
Intel、Samsung等都推出了自己設計的基於ARM核的處理器。
4
ARM技術的應用領域及特點
ARM微處理器的應用領域
 到目前爲止，ARM微處理器及技術的應用已經廣泛深
入到國民經濟的各個領域
 工業控制領域：作爲32的RISC架構，基於ARM核的
微控制器晶片不但佔據了高階微控制器市場的大部
分市場份額，同時也逐漸向低階微控制器應用領域
擴展，ARM微控制器的低功耗、高性價比，向傳統
的8位/16位微控制器提出了挑戰。
5
ARM技術的應用領域及特點
ARM微處理器的應用領域
 網路應用：隨著寬頻技術的推廣，採用ARM技術的
ADSL晶片正逐步獲得競爭優勢。此外，ARM在語音及視頻
處理上作最佳化，並獲得廣泛支援，也對DSP的應用領域提
出了挑戰。
 消費類電子産品：ARM技術在目前流行的數位音頻播
放器、數位機上盒(Set-Top Box)和遊戲機中得到廣泛採用。
 影像和安全産品：現在流行的數位相機和印表機中絕大
部分採用ARM技術。手機中的32位SIM智慧卡也採用了
ARM技術。

……
6
ARM技術的應用領域及特點
ARM微處理器的特點—低功耗、低成本、高性能

低功耗、低成本、高性能
採用RISC指令集
全靜態操作，省電
使用大量的暫存器
ARM(32 Bits)/THUMB(16 Bits)指令支持
三(ARM7, Fetch->Decode->Execute，沒MMU)/五級管線
(ARM9, Fetch->Decode->Execute->Memory Access->Write
Register, 有MMU)
7
ARM技術的應用領域及特點
ARM微處理器的特點—採用RISC體系結構

採用RISC架構的ARM處理器一般具有如下特點：
 固定長度的指令格式，指令歸整、簡單、基 本定
址方式有2～3種；
 使用單周期指令(理想值，平均為1.5 CLK)，便
於管線操作執行；
 大量使用暫存器，資料處理指令只對暫存器進行
操作，只有載入/儲存指令可以存取記憶體，以提高指
令的執行效率。
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ARM技術的應用領域及特點
ARM微處理器的特點—大量使用暫存器
 ARM 處理器共有37個暫存器，被分爲若干個組，這些
暫存器包括：
 31個通用暫存器，包括程式計數器（PC 指標），
均爲32位的暫存器；
 6個狀態暫存器，用以標識CPU的工作狀態及程
式的操作狀態，均爲32位元。
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ARM技術的應用領域及特點
ARM微處理器的特點—高效能的指令系統
 ARM微處理器支援兩種指令集：ARM指令集和Thumb
指令集。
 ARM指令爲32位元的長度，Thumb指令爲16位元長度。
Thumb指令集爲ARM指令集的功能子集，但與等價的ARM
代碼相比較，可節省30％～40％以上的記憶體空間，同時具
備32位代碼的所有優點，用於BIOS(省錢)。
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ARM技術的應用領域及特點
ARM微處理器的特點—其他技術
 除此以外，ARM體系結構還採用了一些特別的技術，
在保證高性能的前提下儘量縮小晶片的面積，並降低功耗：
 所有的指令都可根據前面的執行結果決定是否被執行，
從而提高指令的執行效率。
 可用載入/儲存指令(為Memory MAP 特性)做批次傳輸資
料，以提高資料的傳輸效率。
 可在一條資料處理指令中同時完成邏輯處理和移位元處
理。
 在迴圈處理中使用地址的自動增減來提高操作效率。
11
ARM微處理器系列
ARM微處理器系列

ARM7系列

ARM9系列

ARM9E系列

ARM10E系列

SecurCore系列

Intel的Xscale
 其中，ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10爲4個通用處
理器系列，每一個系列提供一套相對獨特的性能來滿足不同
應用領域的需求。SecurCore系列專門爲安全要求較高的應
用而設計，用於IC Card, Smart Card等，有防潙功能)。
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ARM微處理器系列
ARM7微處理器系列
 ARM7系列是爲低功耗的32位RISC處理器，最適合用
於對價位和功耗要求較高的消費性應用。ARM7系列有如下
特點：
具有嵌入式ICE－RT邏輯，除錯開發方便；
極低的功耗，適合對功耗要求較高的應用，如攜帶型産品；
能夠提供0.9MIPS/MHz的三級管線結構；
代碼密度高，並相容16位元的Thumb指令集；
對作業系統的支援廣泛，如Windows CE、Linux、Palm OS等；
指令系統與ARM9系列、ARM9E系列和ARM10E系列相容，便
於用戶的産品升級換代；
主頻最高可達130M，高速的運算處理能力能勝任絕大多數的複
雜應用。
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ARM微處理器系列
ARM7微處理器系列
 主要應用領域：工業控制、Internet設備、網路和數據
機設備、行動電話等多種多媒體和嵌入式應用。
 ARM7系列微處理器包括如下幾種類型的核心：
ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ。其
中，ARM7TMDI是目前使用最廣泛的32位嵌入式RISC處理
器，屬低階ARM處理器核心。TDMI的基本含義爲：

T：支援16爲壓縮指令集Thumb；

D：支援晶片上Debug；

M：內嵌硬體乘法器（Multiplier, 32X32=64Bits）

I：嵌入式ICE，支援晶片上中斷點和除錯點；
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ARM微處理器系列
ARM9微處理器系列
 ARM9系列微處理器在高性能和低功耗特性方面提供最
佳的表現。具有以下特點：
5級整數管線，指令執行效率更高。
提供1.1MIPS/MHz的哈佛結構。
支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。
支援32位元的高速AMBA匯流排界面。
全性能的MMU，支援Windows CE、Linux、Palm OS等多種
主流嵌入式作業系統。
MPU支援即時作業系統。
內含16K資料Cache和16K指令Cache，具有更高的指令和資料
處理能力 。
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ARM微處理器系列
ARM9微處理器系列
ARM9系列微處理器主要應用於無線設備、儀器儀錶、
安全系統、機上盒、高階印表機、數位照相機和數位攝
影機等。
ARM9系列微處理器包含ARM920T、ARM922T和ARM940T三
種類型，以適用于不同的應用場合。
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ARM微處理器系列
ARM9E微處理器系列
ARM9E系列微處理器的主要特點如下：
支援DSP指令集，適合於需要高速數位信號處理的場合。
5級整數管線，指令執行效率更高。
支援32位元ARM指令集和16位元Thumb指令集。
支援32位元的高速AMBA匯流排界面(AMBA=AHB[高速元
件]+APB [高速元件])。
支援VFP9浮點處理輔助運算器。
全性能的MMU，支援衆多主流嵌入式作業系統。
支援資料Cache和指令Cache，具有更高的處理能力。
主頻最高可達300M。
17
ARM微處理器系列
ARM9E微處理器系列
ARM9E系列微處理器主要應用於下一代無線設備、數位
消費品、影像設備、工業控制、儲存設備和網路設備等
領域。
ARM9E系列微處理器包含ARM926EJ-S、ARM946E-S和
ARM966E-S三種類型，以適用于不同的應用場合。
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ARM微處理器系列
ARM10E微處理器系列
ARM10E系列微處理器的主要特點如下：
支援DSP指令集，適合於需要高速數位信號處理的場合。
6級整數管線，指令執行效率更高。
支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。
支援32位元的高速AMBA匯流排界面。
支援VFP10浮點處理輔助運算器。
全性能的MMU，支援衆多主流嵌入式作業系統。
內含資料Cache和指令Cache，具有更高的處理能力
主頻最高可達400M。
內嵌並行讀/寫操作物件。
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ARM微處理器系列
ARM10E微處理器系列
ARM10E系列微處理器主要應用於下一代無線設備、數
位消費品、影像設備、工業控制、通信和資訊系統等領
域。
ARM10E系列微處理器包含ARM1020E、ARM1022E和
ARM1026EJ-S三種類型，以適用于不同的應用場合。
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ARM微處理器系列
SecurCore微處理器系列
SecurCore系列微處理器除了具有ARM體系結構各種主
要特點外，還在系統安全方面具有如下的特點：
帶有靈活的保護單元，確保作業系統和應用資料的安全。
採用軟內核技術，防止外部對其進行掃描探測。
可整合用戶自己的安全特性和其他輔助運算器。
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ARM微處理器系列
SecurCore微處理器系列
 SecurCore系列微處理器主要應用於一些對安全性要求
較高的應用産品及應用系統，如電子商務、電子政務、
電子銀行業務、網路和認證系統等領域。
 SecurCore系列微處理器包含SecurCore SC100、
SecurCore SC110、SecurCore SC200和SecurCore
SC210四種類型，以適用于不同的應用場合。
22
ARM微處理器系列
StrongARM微處理器系列
Intel StrongARM SA-1100處理器是採用ARM體系結構高
度整合的32位元RISC微處理器。它融合了Intel公司的設
計和處理技術以及ARM體系結構的電源效率，採用在軟體
上相容ARMv4體系結構、同時採用具有Intel技術優點的
體系結構。
Intel StrongARM處理器是攜帶型通訊産品和消費類電子
産品的理想選擇，已成功應用於多家公司的掌上電腦系
列產品。
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ARM微處理器系列
Xscale處理器
Xscale 處理器是基於ARMv5TE體系結構的解決方案，是
一款全功能、高性能價格比、低功耗的處理器。它支援
16位元的Thumb指令和DSP指令集，已使用在數位行動電
話、個人數位助理和網路産品等場合。
Xscale 處理器是Intel目前主要推廣的一款ARM微處理器。
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ARM微處理器的工作狀態
ARM微處理器的工作狀態
從程式執行的角度看，ARM微處理器的工作狀態一般有兩
種，並可在兩種狀態之間切換：
ARM狀態，此時處理器執行32位的字對齊的ARM指
令；
Thumb狀態，此時處理器執行16位的、半字對齊的
Thumb指令。
25
ARM微處理器的工作狀態
ARM與THUMB
 THUMB指令是ARM指令的子集
 可以相互調用，只要遵循一定的調用規則
 Thumb指令與ARM指令的時間效率和空間效率關係爲:
 記憶體空間約爲ARM代碼的60％～70％
 指令數比ARM代碼多約30％～40％
 記憶體爲32位時ARM代碼比Thumb代碼快約40％
 記憶體爲16位時Thumb比ARM代碼快約40～50％
 使用Thumb代碼，記憶體的功耗會降低約30％
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ARM微處理器的工作狀態
狀態切換方法
 ARM指令集和Thumb指令集均有切換處理器狀態的指令，
並可在兩種工作狀態之間切換
 在開始執行代碼時，應該處於ARM狀態。
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ARM微處理器的工作狀態
進入Thumb狀態
 當運算元暫存器的狀態位元（位元0）爲1時，可以採
用執行BX指令的方法，使微處理器從ARM狀態切換到
Thumb狀態 。如下
LDR
R0,=label+1
BX
R0
 當處理器處於Thumb狀態時發生例外（如IRQ、FIQ、
Undef、Abort、SWI等），則例外處理返回時，自動切
換到Thumb狀態 。
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ARM微處理器的工作狀態
切換到ARM狀態
 當運算元暫存器的狀態位元爲0時，執行BX指令時可以
使微處理器從Thumb狀態切換到ARM狀態。如下
LDR
R0,=label
BX
R0
 在處理器進行例外處理時，把PC指標放入例外模式鏈
結暫存器中，並從例外向量位址開始執行程式，也可
以使處理器切換到ARM狀態。
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ARM微處理器的工作模式
處理器模式
 usr：ARM處理器正常的程式執行狀態
 fiq：於高速資料傳輸或通道處理
 irq：用於通用的中斷處理
 svc：作業系統使用的保護模式
 abt：用於虛擬儲存及儲存保護
 und：當出現未定義指令終止時進入該模式
 sys：執行具有特權的作業系統任務
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ARM微處理器的工作模式
用戶模式和特權模式
 除了用戶模式之外的其他6種處理器模式稱爲特權模式
 特權模式下，程式可以存取所有的系統資源，也可以
任意地進行處理器模式的切換。
 特權模式中，除系統模式外，其他5種模式又稱爲例外模式
 大多數的用戶程式操作在用戶模式下，此時，應用程
式不能夠存取一些受作業系統保護的系統資源，應用
程式也不能直接進行處理器模式的切換。
 用戶模式下，當需要進行處理器模式切換時，應用程
式可以産生例外處理，在例外處理中進行處理器模式
的切換。
31
ARM微處理器的工作模式
模式切换
 處理器模式可以通過軟體進行切換，也可以通過外部
中斷或者例外處理過程進行切換。
 當應用程式發生例外中斷時，處理器進入相應的例外
模式。在每一種例外模式下都有一組暫存器，供相應
的例外處理程式使用，這樣就可以保證在進入例外模
式時，用戶模式下的暫存器不被破壞。
 系統模式並不是通過例外進入的，它和用戶模式具有
完全一樣的暫存器。但是系統模式屬於特權模式，可
以存取所有的系統資源，也可以直接進行處理器模式
切換。它主要供作業系統任務使用。通常作業系統的
任務需要存取所有的系統資源，同時該任務仍然使用
用戶模式的暫存器組，而不是使用例外模式下相應的
暫存器組，這樣可以保證當例外中斷發生時任務狀態
不被破壞。
32
ARM微處理器的記憶體格式
ARM微處理器的記憶體格式
 ARM體系結構所支援的最大定址空間爲4GB（232位元組）
 ARM體系結構將記憶體看作是從零位址開始的位元組的
線性組合。從零位元組到三位元組放置第一個儲存的字
資料，從第四個位元組到第七個位元組放置第二個儲存
的字資料，依次排列。
 ARM體系結構可以用兩種方法儲存字資料，稱之爲大端格
式(Big-Endian, Intel)和小端格式(little-Endian,Motorola)
33
ARM微處理器的記憶體格式
ARM體系結構的記憶體格式—大端格式
 在這種格式中，字資料的高位元組儲存在低位址中，而
字資料的低位元組則存放在高位址中
34
ARM微處理器的記憶體格式
ARM體系結構的記憶體格式—小端格式
 與大端儲存格式相反，在小端儲存格式中，低位址中存放
的是字資料的低位元組，高位址存放的是字資料的高位元
組
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ARM微處理器的記憶體格式
指令長度及資料類型
ARM微處理器的指令長度可以是32位元（在ARM狀態
下），也可以爲16位元（在Thumb狀態下）。
ARM微處理器中支援位元組（8位元）、半字（16位）、
字（32位）三種資料類型，其中，字需要4位元組對齊
（位址的低兩位爲0）、半字需要2位元組對齊（位址
的最低位爲0）
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ARM微處理器的記憶體格式
非對齊的儲存存取操作
在ARM種，如果儲存單元的位址沒有遵守對齊規則，則
稱爲非對齊的儲存存取操作。
非對齊的指令預取操作
非對齊的資料存取操作
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ARM微處理器的記憶體格式
非對齊的指令預取操作
當處理器處於ARM狀態期間，如果寫入到暫存器PC中的
值是非字對齊的，則指令執行的結果不可預知，該位
址值中最低兩位被忽略。
當處理器處於THUMB狀態期間，如果寫入到暫存器PC中
的值是非半字對齊的，則指令執行的結果不可預知，該
位址值中最低位被忽略。
38
ARM微處理器的記憶體格式
非對齊的資料存取操作
對於Load/Store操作，如果是非對齊的資料存取操作，
系統定義了三種可能的結果：
 執行的結果不可預知
 忽略字單元地址的低兩位元的值，即存取地址爲
(address AND 0XFFFFFFFC)的字單元；忽略半字單元
地址的最低位元的值，即存取地址爲(address AND
0XFFFFFFFE)的半字單元。
 忽略字單元地址的低兩位元的值；忽略半字單元地址
的最低位元的值；由儲存系統實現這種忽略。也就是
說，這時該位址值原封不動地送到儲存系統。
當發生非對齊地資料存取時，到底採用上述三種方法
中的哪一種，是由各指令指定的。
39
ARM微處理器的記憶體格式
暫存器組織
 ARM微處理器共有37個32位元暫存器，其中31個爲通用暫
存器，6個爲狀態暫存器。但是這些暫存器不能被同時存
取，具體哪些暫存器是可被程式存取的，取決微處理器的
工作狀態及具體的操作模式。但在任何時候，通用暫存器
R14～R0、程式計數器PC、一個或兩個狀態暫存器都是可
存取的。
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ARM微處理器的記憶體格式
ARM狀態下的暫存器組織
 通用暫存器：通用暫存器包括R0～R15，可以分爲三類：
 未分組暫存器 R0～R7
 分組暫存器R8～R14
 程式計數器 PC(R15)
41
ARM微處理器的記憶體格式
ARM狀態下的暫存器組織
42
ARM微處理器的記憶體格式
未分組暫存器 R0～R7
 在所有的操作模式下，未分組暫存器都指向同一個真正
(物理)暫存器，他們未被系統用作特殊的用途。因此，在
中斷或例外處理進行操作模式轉換時，由於不同的處理器
操作模式均使用相同的物理暫存器，可能會造成暫存器中
資料的破壞，這一點在進行程式設計時應注意。
43
ARM微處理器的記憶體格式
分組暫存器 R8～R12
 每次所存取的物理暫存器與處理器當前的操作模式有關
 R8～R12：每個暫存器對應兩個不同的物理暫存器
 當使用fiq模式時，存取暫存器R8_fiq～R12_fiq；
 當使用除fiq模式以外的其他模式時，存取暫存器R8_usr
～R12_usr。
44
ARM微處理器的記憶體格式
分組暫存器 R13～R14
 R13、R14：每個暫存器對應6個不同的物理暫存器
 其中的一個是用戶模式與系統模式共用，另外5個物理暫
存器對應於其他5種不同的操作模式
 採用以下的記號來區分不同的物理暫存器：
 R13_<mode>
 R14_<mode>
 mode爲以下幾種之一 ：usr、fiq、irq、svc、abt、und。
45
ARM微處理器的記憶體格式
堆疊指標—R13
 R13在ARM指令中常用作堆疊指標，但這只是一種習慣用
法，用戶也可使用其他的暫存器作爲堆疊指標。
 在Thumb指令集中，某些指令強制性的要求使用R13作爲
堆疊指標。
 由於處理器的每種操作模式均有自己獨立的物理暫存器
R13，在初始化部分，都要初始化每種模式下的R13，這
樣，當程式的操作進入例外模式時，可以將需要保護的暫
存器放入R13所指向的堆疊，而當程式從例外模式返回時，
則從對應的堆疊中恢復。
46
ARM微處理器的記憶體格式
副程式連接暫存器—R14
 R14也稱作副程式連接暫存器或連接暫存器LR。當執行
BL指令時，可以從R14中得到R15（程式計數器PC）的
備份。其他情況下，R14用作通用暫存器。
 在每一種操作模式下，都可用R14保存副程式的返回位址，
當使用BL或BLX指令時，將PC的當前值拷貝給R14，執
行完副程式後，又將R14的值拷貝回PC，即可完成副程
式的返回。
BL SUB1
……
SUB1:
STMFD SP!, {<regs>, LR} /*將R14存入堆疊 */
……
LDMFD
SP！,{<regs>,PC} 47
/*完成副程式返回 */
ARM微處理器的記憶體格式
程式計數器 PC(R15)
 ARM狀態下，位元[1:0]爲0，位[31:2]用於保存PC；
 Thumb狀態下，位元[0]爲0，位[31:1]用於保存PC；
 R15雖然也可用作通用暫存器，但一般不這麽使用，因爲
對R15的使用有一些特殊的限制，當違反了這些限制時，
程式的執行結果是未知的。
 由於ARM體系結構採用了多級管線技術，對於ARM指令
集而言，PC總是指向當前指令的下兩條指令的位址，即
PC的值爲當前指令的位址值加8個位元組。
48
ARM微處理器的記憶體格式
程式狀態暫存器 (CPSR/SPSR)
 暫存器R16用作CPSR(當前程式狀態暫存器)，CPSR可在任
何操作模式下被存取，它包括條件標誌位元、中斷禁止位
元、當前處理器模式標誌位元，以及其他一些相關的控制
和狀態位元。
 每一種操作模式下又都有一個專用的物理狀態暫存器，
稱爲SPSR（備份的程式狀態暫存器），例外發生時，
SPSR用於保存CPSR的值，從例外返回時則可由SPSR
來恢復CPSR。
 由於用戶模式和系統模式不屬於例外模式，他們沒有SPSR，
當在這兩種模式下存取SPSR，結果是未知的。
49
ARM微處理器的記憶體格式
Thumb狀態下的暫存器組織
 Thumb狀態下的暫存器集是ARM狀態下暫存器集的一個子集
 程式可以直接存取8個通用暫存器（R7～R0）、程式計數
器（PC）、堆疊指標（SP）、連接暫存器（LR）和CPSR。
 同樣，每一種特權模式下都有一組SP、LR和SPSR。
50
ARM微處理器的記憶體格式
Thumb狀態下的暫存器組織圖
51
ARM微處理器的記憶體格式
Thumb狀態下的暫存器與ARM狀態下的暫存器關係
 Thumb狀態下和ARM狀態下的R0～R7是相同的 。
 Thumb狀態下和ARM狀態下的CPSR和所有的SPSR是相同的。
 Thumb狀態下的SP對應於ARM狀態下的R13。
 Thumb狀態下的LR對應於ARM狀態下的R14。
 Thumb狀態下的程式計數器對應於ARM狀態下R15。
52
ARM微處理器的記憶體格式
Thumb狀態下的暫存器與ARM狀態下的暫存器關係圖
53
ARM微處理器的記憶體格式
存取THUMB狀態下的高位暫存器（Hi-registers ）
 在Thumb狀態下，高位暫存器R8～R15並不是標準暫存器集
的一部分，但可使用組合語言程式受限制的存取這些暫存
器，將其用做快速的暫存器。
 使用帶有特殊變數的MOV指令，資料可以在低位元暫存器
和高位暫存器之間進行傳送；高位暫存器的值可以使用
CMP和ADD指令進行比較或加上低位暫存器中的值。
54
ARM微處理器的記憶體格式
程式狀態暫存器
 ARM體系結構包含一個當前程式狀態暫存器（CPSR）和五
個備份的程式狀態暫存器（SPSRs）。備份的程式狀態暫
存器用來進行例外處理，其功能包括：
 保存ALU中的當前操作資訊
 控制允許和禁止中斷
 設置處理器的操作模式
55
ARM微處理器的記憶體格式
程式狀態暫存器的每一位元的安排
56
ARM微處理器的記憶體格式
程式狀態暫存器的條件碼標誌
 N、Z、C、V均爲條件碼標誌位元。它們的內容可被算術或
邏輯運算的結果所改變，並且可以決定某條指令是否被執
行
 在ARM狀態下，絕大多數的指令都是有條件執行的。
 在Thumb狀態下，僅有分支指令是有條件執行的。
57
ARM微處理器的記憶體格式
影響標誌位元的指令
標誌
位元
N
Z
含
義
當帶符號的兩個補數進行運算時，N=1 表示運算的結果
爲負數；N=0 表示運算的結果爲正數或零；
Z=1表示運算的結果爲零；Z=0表示運算的結果爲非零；
C
加法運算結果進位時，C=1，減法運算借位時，C=0；
移位元操作的非加/減運算指令，C爲移出的最後一位；
其他的非加/減運算指令，C的值通常不改變。
V
加/減法運算指令，V=1表示符號位元溢出。
對於其他的非加/減運算指令，C的值通常不改變。
Q
在ARM v5及以上版本的E系列處理器中，Q標誌指示DSP
運算指令是否溢出。在其他版本中，Q標誌位元無定義 。
58
ARM微處理器的記憶體格式
程式狀態暫存器的控制位元
狀態暫存器的低8位元（I、F、T和M[4：0]）稱爲控制位
元，發生例外時，這些位元可以被改變。如果處理器操作於
特權模式，這些位元也可以由程式修改 。
中斷禁止位 I、F：
 I=1
禁止IRQ中斷 ;
 F=1
禁止FIQ中斷 。
T標誌位元 ：該位元反映處理器的操作狀態
 ARM體系結構v5及以上的版本的T系列處理器，當該位
元爲1時，程式操作於Thumb狀態，否則操作於ARM狀
態 。
 ARM體系結構v5及以上的版本的非T系列處理器，當該
位爲1時，執行下一條指令以引起爲定義的指令例外；
當該位元爲0時，表示操作於ARM狀態 。
操作模式位元M[4：0]是模式位元，決定處理器的操作模
59
式
ARM微處理器的記憶體格式
處理器操作模式及可以存取的暫存器
M[4：0]
處理器模式
可存取的暫存器
0b10000
用户模式
PC，CPSR,R0-R14
0b10001
FIQ模式
0b10010
IRQ模式
0b10011
管理模式
0b10111
中止模式
0b11011
未定義模式
0b11111
系统模式
PC，CPSR, SPSR_fiq，R14_fiq-R8_fiq,
R7～R0
PC，CPSR, SPSR_irq，R14_irq, R13_irq,
R12～R0
PC，CPSR, SPSR_svc，R14_svc, R13_svc,
R12～R0,
PC，CPSR, SPSR_abt，R14_abt,R13_abt,
R12～R0,
PC，CPSR, SPSR_und，R14_und,
R13_und, R12～R0,
PC，CPSR（ARM v4及以上版本）,
R14～R0
60
ARM例外處理
例外 （Exceptions）
 當正常的程式執行流程發生暫時的停止時，稱之爲例外，
例如處理一個外部的中斷請求。在處理例外之前，當前處
理器的狀態必須保留，這樣當例外處理完成之後，當前程
式可以繼續執行。處理器允許多個例外同時發生，它們將
會按固定的優先順序進行處理。
 ARM體系結構中的例外，與8位元/16位元體系結構的中斷
有很大的相似之處，但例外與中斷的概念並不完全等同。
61
ARM例外處理
ARM體系結構所支援的例外類型
例外類型
Reset
未定義指令
軟體中斷
指令預取中
止
資料中止
IRQ
FIQ
具體含義
Reset有效時，産生Reset例外，程式跳到
Reset處理程式處執行 。
遇到不能處理的指令時，産生未定義指令例
外 。
執行SWI指令産生，用於用戶模式下的程式調
用特權操作指令 。
處理器預取指令的位址不存在，或該位址不允
許當前指令存取，産生指令預取中止例外。
處理器資料存取指令的位址不存在，或該位址
不允許當前指令存取時，産生資料中止例外。
外部中斷請求有效，且CPSR中的I位爲0時，産
生IRQ例外 。
快速中斷請求引腳有效，且CPSR中的F位爲0
時，産生FIQ例外。
62
ARM例外處理
對例外的回應
 當一個例外出現以後，ARM微處理器會執行以下幾個步驟
 將下一條指令的位址存入相應連接暫存器LR，以便程式
在處理例外返回時能從正確的位置重新開始執行 。
 將CPSR複製到相應的SPSR中。
 根據例外類型，強制設置CPSR的操作模式位元。
 強制PC從相關的例外向量位址取下一條指令執行，從而
跳躍到相應的例外處理程式處 。
63
ARM例外處理
例外回應虛擬碼 (Pseudo Code)
 處理器處於Thumb狀態，則當例外向量位址載入入PC時，
處理器自動切換到ARM狀態。ARM微處理器對例外的回應過
程用虛擬碼可以描述爲 ：
R14_<Exception_Mode> = Return Link
SPSR_<Exception_Mode> = CPSR
在ARM狀態下執行
CPSR[4:0] = Exception Mode Number
CPSR[5] = 0
禁止快速中断
If <Exception_Mode>
== Reset or FIQ then
禁止正常中断
CPSR[6] = 1
轉入例外入口地址
CPSR[7] = 1
PC = Exception Vector Address
64
ARM例外處理
從例外返回
 例外處理完畢之後，ARM微處理器會執行以下幾步驟，從
例外返回 ：
 將連接暫存器LR的值減去相應的偏移量後送到PC中 。
 將SPSR複製回CPSR中 。
 若在進入例外處理時設置了中斷禁止位元，要在此清除 。
 可以認爲應用程式總是從Reset例外處理程式開始執行的，
因此Reset例外處理程式不需要返回 。
65
ARM例外處理
FIQ（Fast Interrupt Request）
 FIQ例外是爲了支援資料傳輸或者通道處理而設計的 。
 若將CPSR的F位置爲1，則會禁止FIQ中斷，若將CPSR的F位
元清為零，處理器會在指令執行時檢查FIQ的輸入。注意
只有在特權模式下才能改變F位元的狀態 。
 可由外部通過對處理器上的nFIQ接腳輸入低電位産生FIQ。
不管是在ARM狀態還是在Thumb狀態下進入FIQ模式，FIQ處
理程式均可以執行以下指令從FIQ模式返回 ：
SUBS
PC,R14_fiq ,#4
66
ARM例外處理
IRQ（Interrupt Request）
 IRQ例外屬於正常的中斷請求，可通過對處理器的nIRQ引
腳輸入低電位産生，IRQ的優先順序低於FIQ，當程式執行
進入FIQ例外時，IRQ可能被遮罩 。
 若將CPSR的I位置爲1，則會禁止IRQ中斷，若將CPSR的I位
清零，處理器會在指令執行完之前檢查IRQ的輸入。注意
只有在特權模式下才能改變I位元的狀態 。
 不管是在ARM狀態還是在Thumb狀態下進入IRQ模式，IRQ處
理程式均可以執行以下指令從IRQ模式返回 ：
SUBS PC , R14_irq , #4
67
ARM例外處理
ABORT（中止）
 産生中止例外意味著對記憶體的存取失敗。ARM微處理器
在記憶體存取周期內檢查是否發生中止例外。
 中止例外包括兩種類型 ：
 指令預取中止：發生在指令預取時 。
 資料中止：發生在資料存取時 。
 當指令預取存取記憶體失敗時，記憶體系統向ARM處理器發出記憶體
中止（Abort）信號，預取的指令被記爲無效，但只有當處理器試圖
執行無效指令時，指令預取中止例外才會發生，如果指令未被執行，
例如在指令管線中發生了跳躍，則預取指令中止不會發生 。
 若資料中止發生，系統的回應與指令的類型有關 。
 當確定了中止的原因後，Abort處理程式均可以執行以下指令從中止
模式返回，無論是在ARM狀態還是Thumb狀態 ：
SUBS PC, R14_abt, #4
；指令預取中止
SUBS PC, R14_abt, #8
；資料中止
68
ARM例外處理
Software Interrupt(軟體中斷)
軟體中斷指令（SWI）用於進入管理模式，常用於請求執
行特定的管理功能。無論是在ARM狀態還是Thumb狀態，下一
行指令可以從SWI模式返回：
MOVS PC , R14_svc
以上指令恢復PC（從R14_svc）和CPSR（從SPSR_svc）的值，
並返回到SWI的下一條指令。
69
ARM例外處理
Undefined Instruction(未定義指令 )
當ARM處理器遇到不能處理的指令時，會産生未定義指令
例外。採用這種機制，可以通過軟體模擬擴展ARM或Thumb指
令集。 。
處理器執行以下指令回返，無論是在ARM狀態還是Thumb狀
態：

MOVS PC, R14_und
 以上指令恢復PC（從R14_und）和CPSR（從SPSR_und）
的值，並返回到未定義指令後的下一條指令。
70
ARM例外處理
例外向量表 （Exception Vectors）
地 址
異 常
進入模式
0x00,0000
Reset
管理模式
0x00,0004
未定義指令
未定義模式
0x00,0008
軟體中斷
管理模式
0x00,000C
中止（預取指令 ） 中止模式
0x00,0010
中止（資料）
中止模式
0x00,0014
保留
保留
0x00,0018
IRQ
IRQ
0x00,001C
FIQ
FIQ
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ARM例外處理
例外優先順序 （Exception Priorities）
優先順序
異
常
1（最高）
Reset
2
資料中止
3
FIQ
4
IRQ
5
預取指令中止
6（最低）
未定義指令 、SWI
72
ARM例外處理
應用程式中的例外處理
當系統操作時，例外可能會隨時發生，爲保證在ARM處理
器發生例外時不至於處於未知狀態，在應用程式的設計中，
首先要進行例外處理，採用的方式是在例外向量表中的特定
位置放置一條跳躍指令，跳躍到例外處理程式，當ARM處理
器發生例外時，程式計數器PC會被強制設置爲對應的例外向
量，從而跳躍到例外處理程式，當例外處理完成以後，返回
到主程序繼續執行。
73