ARM篇二--寄存器组织与异常处理

• 一、ARM寄存器组织
• • 1 寄存器
  • 2 ARM寄存器
  • 3 专用寄存器
  • 4 CPSR寄存器
• 二、ARM异常处理
• • 1 异常
  • • 1.1 异常处理机制
    • 1.2 ARM异常源
    • 1.3 ARM异常模式
  • 2 ARM异常响应
  • • 2.1 产生异常的动作（自动）
    • 2.2 异常向量表
  • 3 异常返回
  • 4 异常优先级与速度
  • • 4.1 异常优先级
    • 4.2 异常向量表
• 三、ARM微架构
• • 1 指令流水线
  • 2 多核处理器

一、ARM寄存器组织

1 寄存器

• 概念
  寄存器是处理器内部的存储器，没有地址
• 作用
  一般用于暂时存放参与运算的数据和运算结果
• 分类
  包括通用寄存器、专用寄存器、控制寄存器

2 ARM寄存器

3 专用寄存器

• R15(PC,Program Counter)
  程序计数器，用于存储当前取址指令的地址
• R14(LR,Link Register)
  链接寄存器，一般有以下两种用途：
  • 执行跳转指令(BL/BLX)时，LR会自动保存跳转指令下一条指令的地址程序需要返回时将LR的值复制到PC即可实现
  • 产生异常时，对应异常模式下的LR会自动保存被异常打断的指令的下一条指令的地址，异常处理结束后将LR的值复制到PC可实现程序返回
• R13(SP,Stack Pointer)
  栈指针，用于存储当前模式下的栈顶地址

4 CPSR寄存器

• CPSR(Current Program Status Register)，当前程序状态寄存器
• CPSR寄存器分为四个域，[31:24]为条件域用F表示、[23:16]为状态域用S表示、[15:8]为预留域用X表示、[8:0]为控制域用C表示

Bit[4:0]

[10000]User    [10001]FIQ     [10010]IRQ     [10011]SVC
[10111]Abort   [11011]Undef   [11111]System  [10110]Monitor

Bit[5]

[0]ARM状态     [1]Thumb状态

Bit[6]

[0]开启FIQ     [1]禁止FIQ

Bit[7]

[0]开启IRQ     [1]禁止IRQ

Bit[28]

当运算器中进行加法运算且产生符号位进位时该位自动置1，否则为0
当运算器中进行减法运算且产生符号位借位时该位自动置0，否则为1

Bit[29]

当运算器中进行加法运算且产生进位时该位自动置1，否则为0
当运算器中进行减法运算且产生借位时该位自动置0，否则为1

Bit[30]

当运算器中产生了0的结果该位自动置1，否则为0

Bit[31]

当运算器中产生了负数的结果该位自动置1，否则为0

二、ARM异常处理

1 异常

1.1 异常处理机制

1.2 ARM异常源

ARM的异常源

FIQ				    快速中断请求引脚有效		
IRQ			    	外部中断请求引脚有效
Reset			    复位电平有效
Software Interrupt	执行swi指令
Data Abort			数据终止
Prefetch Abort		指令预取终止
Undefined Instruction	遇到不能处理的指令

1.3 ARM异常模式

2 ARM异常响应

2.1 产生异常的动作（自动）

1.拷贝CPSR中的内容到对应异常模式下的SPSR_<mode>
2.修改CPSR的值
	2.1.修改中断禁止位禁止相应的中断
	2.2.修改模式位进入相应的异常模式     产生异常
	2.3.修改状态位进入ARM状态
3.保存返回地址到对应异常模式下的LR_<mode>
4.设置PC为相应的异常向量（异常向量表对应的地址）

2.2 异常向量表

• 异常向量表的本质是内存中的一段代码
• 表中为每个异常源分配了四个字节的存储空间
• 遇到异常后处理器自动将PC修改为对应的地址
• 因为异常向量表空间有限一般我们不会再这里写异常处理程序，而是在对应的位置写一条跳转指令使其跳转到指定的异常处理程序的入口

3 异常返回

ARM异常处理完返回的动作（自己编写）

1.将SPSR_<mode>的值复制给CPSR
  使处理器恢复之前的状态
				产生异常
2.将LR_<mode>的值复制给PC
  使程序跳转回被打断的地址继续执行

4 异常优先级与速度

4.1 异常优先级

Reset
Data Abort
FIQ
IRQ
Prefetch Abort
Software Interrupt
Undefined instruction
优先级由高到低

4.2 异常向量表

FIQ的响应速度比IRQ快

• FIQ在异常向量表位于最末
  可直接把异常处理函数写在异常向量表之后，省去跳转
• FIQ模式有5个私有寄存器(R8-R12)
  执行中断处理程序前无需压栈保存寄存器，可直接处理中断
• FIQ的优先级高于IRQ
  • 两个中断同时发生时先响应FIQ
  • FIQ可以打断RIQ，但RIQ不能打断FIQ

三、ARM微架构

1 指令流水线

指令流水线

将指令的取址、解码、执行三个执行过程，变成流水线形式执行，就是流水线指令。

• ARM指令流水线
  ARM7采用3级流水线
  ARM9采用5级流水线
  Cortex-A9采用8级流水线

• PC的作用（取地址）
  不管几级流水线，PC指向的永远是当前正在取指的指令，而当前正在执行的指令的地址为PC-8

2 多核处理器

• 多核处理器
  即一个SOC片上系统中集成了多个CPU核
• 作用
  不同的线程可以运行在不同的核心中,做到真正的并发
• 资源
  多核处理器共用外设与接口资源

到这里就结束啦！