第2章ARM技術(shù)與ARM體系結(jié)構(gòu)

第2章ARM技術(shù)與ARM體系構(gòu)造本章主要引見ARM處置器的產(chǎn)生及版本開展歷史，以及各個(gè)版本的典型處置器及運(yùn)用情況和性能分析；ARM處置器的內(nèi)核調(diào)試構(gòu)造，重點(diǎn)分析了ARM7TDMI-S、ARM9TDMI兩種構(gòu)造；ARM處置器的任務(wù)方式及存放器組織構(gòu)造，分析了在什么情況下進(jìn)入到相應(yīng)的任務(wù)方式；ARM處置器支持的內(nèi)存數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式，分為大端格式和小端格式；最后引見了ARM7的三級(jí)流水線運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制和ARM9的五級(jí)流水線運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制。內(nèi)容提要2．1ARM體系構(gòu)造版本與內(nèi)核2．2ARM內(nèi)核模塊2．3ARM處置器的任務(wù)方式2．4ARM內(nèi)部存放器2．5ARM異常處置2．6存儲(chǔ)方式與存儲(chǔ)器映射機(jī)制2．7ARM流水線技術(shù)分析2.5ARM異常處置異常通常定義為：處置器需求中止指令正常執(zhí)行的任何情形并轉(zhuǎn)向相應(yīng)的處置，包括ARM內(nèi)核產(chǎn)生復(fù)位，取指或存儲(chǔ)器訪問失敗，遇到未定義指令，執(zhí)行軟件中斷指令，或者出現(xiàn)外部中斷等。大多數(shù)異常都對應(yīng)一個(gè)軟件的異常處置程序，也就是在異常發(fā)生時(shí)執(zhí)行的軟件程序。

2．5．1 異常入口ARM處置器的異常分為數(shù)據(jù)中止、快速中斷懇求、普通中斷懇求、預(yù)取指中止、軟件中斷、復(fù)位及未定義指令共7種。異常類型處理器模式優(yōu)先級(jí)向量表偏移復(fù)

位SVC10x00000000未定義指令UND60x00000004軟件中斷SWISVC60x00000008預(yù)取指中止ABT50x0000000c數(shù)據(jù)中止ABT20x00000010保留//0x00000014IRQ中斷IRQ40x00000018FIQ中斷FIQ30x0000001c1．復(fù)位具有最高的優(yōu)先級(jí)，是系統(tǒng)啟動(dòng)〔或芯片復(fù)位〕時(shí)調(diào)用的程序。復(fù)位程序?qū)Ξ惓Ｌ幹贸绦蚝拖到y(tǒng)進(jìn)展初始化〔包括配置儲(chǔ)存器和Cache〕。同時(shí)要保證在IRQ和FIQ中斷允許之前初始化外部中斷源，防止在沒有設(shè)置好相應(yīng)的處置程序前產(chǎn)生中斷。還要設(shè)置好各種處置器方式的堆棧指針。2．引起未定義指令異常：ARM試圖執(zhí)行一條真正的未定義指令；ARM遇到一條協(xié)處置器指令，可是系統(tǒng)中的協(xié)處置器硬件并不存在；ARM遇到一條協(xié)處置器指令，系統(tǒng)中協(xié)處置器硬件也存在，可是ARM不是在超級(jí)用戶方式。處理方法：在處置程序中執(zhí)行軟協(xié)處置器仿真；制止在非超級(jí)用戶方式下操作；報(bào)告錯(cuò)誤并退出。3．?dāng)?shù)據(jù)中止異常指示訪問了無效的存儲(chǔ)器地址，或者當(dāng)前代碼沒有正確的數(shù)據(jù)訪問權(quán)限。4．預(yù)取指中止由于處置器預(yù)取的指令地址不存在，或者地址無法訪問，當(dāng)被預(yù)取的指令執(zhí)行時(shí)，發(fā)生預(yù)取指中止異常。5.FIQ中斷的優(yōu)先級(jí)比IRQ中斷的優(yōu)先級(jí)要高，且內(nèi)核進(jìn)入FIQ處置程序時(shí)，把FIQ和IRQ都制止6．軟中斷〔SWI〕和未定義指令異常的優(yōu)先級(jí)最低，共享同一優(yōu)先級(jí)，兩者不能夠同時(shí)出現(xiàn)。2．5．2 異常產(chǎn)生過程與前往在異常發(fā)生后，ARM內(nèi)核會(huì)作以下任務(wù)：1.在適當(dāng)?shù)腖R中保管下一條指令的地址，當(dāng)異常入口來自：ARM形狀，那么ARM將當(dāng)前指令地址加4或加8復(fù)制〔取決于異常的類型〕到LR中；為Thumb形狀，那么ARM將當(dāng)前指令地址加2、4或加8〔取決于異常的類型〕復(fù)制到LR中；異常處置器程序不用確定形狀。2.將CPSR復(fù)制到適當(dāng)?shù)腟PSR中；3.將CPSR方式位強(qiáng)迫設(shè)置為與異常類型相對應(yīng)的值；4.強(qiáng)迫PC從相關(guān)的異常向量處取指。當(dāng)異常終了時(shí)，異常處置程序必需：1.將LR〔R14〕中的值減去偏移量后存入PC，偏移量根據(jù)異常的類型而有所不同；2.將SPSR的值復(fù)制回CPSR；3.清零在入口置位的中斷制止標(biāo)志。注：恢復(fù)CPSR的動(dòng)作會(huì)將T、F和I位自動(dòng)恢復(fù)為異常發(fā)生前的值。VectorTableFIQIRQ(Reserved)DataAbortPrefetchAbortSoftwareInterruptUndefinedInstructionReset0x1C0x180x140x100x0C0x080x040x00異常處置當(dāng)異常產(chǎn)生時(shí),ARMcore:拷貝CPSR到SPSR_<mode>設(shè)置適當(dāng)?shù)腃PSR位：改動(dòng)處置器形狀進(jìn)入ARM形狀改動(dòng)處置器方式進(jìn)入相應(yīng)的異常方式設(shè)置中斷制止位制止相應(yīng)中斷(假設(shè)需求)保管前往地址到LR_<mode>設(shè)置PC位相應(yīng)的異常向量前往時(shí),異常處置需求:從SPSR_<mode>恢復(fù)CPSR從LR_<mode>恢復(fù)PCNote:這些操作只能在ARM態(tài)執(zhí)行.2．6存儲(chǔ)方式與存儲(chǔ)器映射機(jī)制ARM處置器地址空間大小為4G字節(jié)，這些字節(jié)的單元地址是一個(gè)無符號(hào)的32位數(shù)值，其取值范圍為0~232-1。各存儲(chǔ)單元地址作為32位無符號(hào)數(shù)，可以進(jìn)展常規(guī)的整數(shù)運(yùn)算。當(dāng)程序正常執(zhí)行時(shí)，每執(zhí)行一條ARM指令，當(dāng)前指令計(jì)數(shù)器加4個(gè)字節(jié)；每執(zhí)行一條Thumb指令，當(dāng)前指令計(jì)數(shù)器加2個(gè)字節(jié)。2．6．1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式小端存儲(chǔ)格式〔Little-Endian〕大端存儲(chǔ)格式〔Big-Endian〕TheARM可以用little/bigendian格式存取數(shù)據(jù).r0=0x11223344STRr0,[r1]LDRBr2,[r1]r1=0x100Memory32100123ByteLane312423161587011223344312423161587011223344312423161587011223344312423161587000000044312423161587000000011LittleendianBigendianR2=0x44R2=0x11Formoreinformation,see:“ApplicationNote:BigandLittleEndianByteAddressing〞字節(jié)順序2．6．2 非對齊存儲(chǔ)器地址訪問問題分析1．非對齊的指令預(yù)取操作假設(shè)是在ARM形狀下將一個(gè)非對齊地址寫入PC，那么數(shù)據(jù)在寫入PC時(shí)數(shù)據(jù)的第0位和第1位被忽略，最終PC的bit[1：0]為0；假設(shè)是在Thumb形狀下將一個(gè)非對齊地址寫入PC，那么數(shù)據(jù)在寫入PC時(shí)數(shù)據(jù)的第0位被忽略，最終PC的bit[0]為0。2．非對齊地址內(nèi)存的訪問操作

對于LOAD/STORE操作，系統(tǒng)定義了下面3種能夠的結(jié)果：

*執(zhí)行結(jié)果不可預(yù)知

*忽略字單元地址低兩位的值，即訪問地址為字單元；忽略半字單元最低位的值，即訪問地址為半字單元。這種忽略是由存儲(chǔ)系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。*在LDR和SWP指令中，對存儲(chǔ)器訪問忽略呵斥地址不對齊的低地址位，然后運(yùn)用這些低地址位控制裝載數(shù)據(jù)的循環(huán)。2.7ARM流水線技術(shù)分析ARM7流水線技術(shù)與三級(jí)流水線運(yùn)轉(zhuǎn)情況分析ARM9流水線技術(shù)與五級(jí)流水線互鎖分析ARM10E系列概述ARM7流水線技術(shù)為添加處置器指令流的速度，ARM7系列運(yùn)用3級(jí)流水線.允許多個(gè)操作同時(shí)處置，比逐條指令執(zhí)行要快。PC指向正被取指的指令，而非正在執(zhí)行的指令FetchDecodeExecute從存儲(chǔ)器中讀取指令解碼指令存放器讀〔從存放器Bank〕移位及ALU操作存放器寫〔到存放器Bank〕PC PCPC-4 PC-2PC-8 PC-4ARM Thumb最正確流水線該例中用6個(gè)機(jī)器周期執(zhí)行了6條指令一切的操作都在存放器中〔單周期執(zhí)行〕指令周期數(shù)(CPI)=1機(jī)器周期操作周期 1 2 3 4 56ADDSUBMOVANDORREORCMPRSBFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteDecodeExecuteFetchDecodeFetchFetchLDR流水線舉例該例中，用6機(jī)器周期執(zhí)行了4條指令指令周期數(shù)(CPI)=1.5機(jī)器周期周期操作 1 2 3 4 5 6ADDSUBLDRMOVANDORRFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteDataWritebackFetchDecodeExecuteFetchDecodeFetch分支流水線舉例流水線被阻斷留意:內(nèi)核運(yùn)轉(zhuǎn)在ARM形狀周期123450x8000BL0x8004X0x8008XX0x8FECADD0x8FF0SUB0x8FF4MOV地址操作FetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeFetchFetchDecodeExecuteLinkretAdjustFetchDecodeFetch目的地址中斷流水線舉例周期12345678IRQIRQ中斷的反響時(shí)間最小=7機(jī)器周期地址操作FDELinkretAdjustFFDecodeIRQLinkretExecuteIRQAdjustFDEFDFFDEFDFF0x8000ADD0x8008MOV0x0018B(to0xAF00)0x8004SUB0x001CXX0x0020XXX0xAF00STMFD0xAF04MOV0xAF08LDR0x800CXDARM9TDMI流水線的變化InstructionFetchShift+ALUMemoryAccessRegWriteRegReadRegDecodeFETCHDECODEEXECUTEMEMORYWRITEARM9TDMIARMorThumb

InstDecodeRegSelectRegReadShiftALURegWriteThumb?ARM

decompressARMdecodeInstructionFetchFETCHDECODEEXECUTEARM7TDMI周期操作ADD R1,R1,R2SUB R3,R4,R1ORR R8,R3,R4AND R6,R3,R1EOR R3,R1,R2LDR R4,[R7]最正確流水線本例中，用了6個(gè)機(jī)器周期執(zhí)行6條指令，CPI=1機(jī)器周期。LDR指令沒有引起流水線互鎖123456789FDEWFDEWFEWFDEWFDWEFDEWF–取指〔Fetch〕D–解碼〔Decode〕 E–執(zhí)行〔Execute〕I–互鎖〔Interlock〕M–存儲(chǔ)器〔Memory〕W–寫回〔Writeback〕MD周期操作ADD R1,R1,R2SUB R3,R4,R1ORR R8,R3,R4AND R6,R3,R1EOR R3,R1,R212345678LDR R4,[R7]9FDEFDEWFDEWFDEWFDWEFDEWF–取指〔Fetch〕D–解碼〔Decode〕 E–執(zhí)行〔Execute〕I–互鎖〔Interlock〕M–存儲(chǔ)器〔Memory〕W–寫回〔Writeback〕ILDR互鎖本例中，用了7個(gè)機(jī)器周期執(zhí)行6條指令，CPI=1.2機(jī)器周期。LDR指令之后立刻跟一條數(shù)據(jù)操作指令，由于運(yùn)用了一樣的存放器，將會(huì)導(dǎo)致互鎖。WIM互鎖：當(dāng)前指令的執(zhí)行能夠需求前面指令的執(zhí)行結(jié)果，但這時(shí)前面的指令還沒有執(zhí)行終了，從而會(huì)導(dǎo)致當(dāng)前指令的執(zhí)行無法獲得合法的操作數(shù)，這時(shí)會(huì)引起流水線的等待，這種景象稱為互鎖。LDM互鎖(1)本例中，用了8個(gè)機(jī)器周期執(zhí)行5條指令，CPI=1.6在LDM期間，有并行的存儲(chǔ)器訪問和回寫周期周期操作LDMIA R13!,{R0-R3}SUB R9,R