ARM指令系统
第二章 ARM9体系结构ppt课件
ARM9E-S ARM10TDMI，ARM1020E ARM11，ARM1156T2-S，ARM1156T2F-S， ARM1176JZ-S，ARM11JZF-S
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2.1.1 ARM公司简介
ARM公司是知识产权IP （ Intellectual Property ） 公司，本身不生产芯片，只转让设计许可，由合 作伙伴公司来生产各具特色的芯片。
目前，全世界有几十家著名的半导体公司都使用 ARM公司的授权，其中包括Intel、IBM、 MOTOROLA、SONY、NEC、LG 、 ATMEL 等， 从而保证了大量的开发工具和丰富的第三方资源， 它们共同保证了基于ARM处理器核的设计可以很 快投入市场。
灵活方便的协处理器接口
ARM体系结构具有协处理器接口，允许接16 个协处理器。既可以使基本的ARM处理器内核尽 可能小，方便地扩充ARM指令集，也可以通过未 定义指令来支持协处理器的软件仿真。
低电压功耗的设计
考虑到ARM处理器主要用于手持式嵌入式系 统中，在设计中. 就十分注意功耗的设计。
2.1.3 ARM指令系统版本
难以优化编译成高效目标 代码
能优化编译成高效目标代码
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2.1.2 ARM体系结构的特点
多种处理器模式 ARM体系结构定义了7种处理器模式：用户、 快 中断、中断、管理、终止、未定义和系统模式， 大大提高了ARM处理器的效率。
两种处理器工作状态 ARM状态(32位指令)和Thumb状态(16位指
令) 。 虽然ARM处理器本身是32位设计，但考虑到
第2章 ARM体系结构
• 控制位
–
程序状态寄存器PSR（Program Status Register）的最低8位I、F、T和 M[4：0]用作控制位。当异常出现时改变控制位。处理器在特权模式 下时也可由软件改变。
• 中断禁止位 I：置1，则禁止IRQ中断； F：置1，则禁止FIQ中断。 • T位 T=0 指示ARM执行； T=1 指示Thumb执行。 • 模式控制位 M4、M3、M2、Ml和M0（M[4:0]）是模式位，决定处理器 的工作模式，如表2.3.1所列。
6 （最低）
6 5
数据中止
IRQ （外部中断请求） FIQ （快速中断请求）
中止（数据）
IRQ FIQ
中止模式
IRQ FIQ
0x0000,0010
0x0000,0018 0x0000,001C
2
4 3
2.4.2 异常类型的含义
（1）复位
• • 处理器的复位电平有效时，产生复位异常 当ARM处理器或协处理器遇到不能处理的指令时，产生未定义指令异常
2.4 ARM微处理器的异常处理
• 异常：在一个正常的程序流程执行过程中，由内 部或外部源产生的一个事件使正常的程序产生暂 时的停止，称之为异常。
2.4.1 ARM体系结构的异常类型
• ARM体系结构支持7种类型的异常
• 异常出现后，强制从异常类型对应的固定存储器地址开始 执行程序。这些固定的地址称为异常向量（Exception Vectors）。
M[4:0]模式控制位
M[4： 0] 10000 10001 10010 10011 10111
处理器工作 模式 用户模式 FIQ模式 IRQ模式 管理模式 中止模式
可访问的寄存器 PC，CPSR，R14～R0 PC，R7～R0，CPSR, SPSR_fiq，R14_fiq～ R8_fiq PC，R12～R0，CPSR, SPSR_irq，R14_irq， R13_irq PC，R12～R0, CPSR, SPSR_svc，R14_svc， R13_svc PC，R12～R0, CPSR, SPSR_abt，R14_abt， R13_abt
arm常用的名词解释
arm常用的名词解释ARM（Advanced RISC Machine）是一种常用的计算机架构，被广泛应用于移动设备、嵌入式系统和单片机等领域。
本文将对ARM常用的一些名词进行解释，以帮助读者更好地了解ARM架构。
1. RISC（Reduced Instruction Set Computer）：精简指令集计算机。
相对于复杂指令集计算机（CISC），RISC采用简化指令集，每条指令都非常简单，执行速度快，并且易于设计和优化硬件。
2. 架构：计算机系统的基本设计和组织原则。
ARM架构设计了一套标准的指令集和寄存器组织，以及与之兼容的处理器核心，为ARM生态系统提供了一致的编程接口。
3. 处理器核心（Processor Core）：ARM的核心部分，负责执行指令和进行算术逻辑运算。
常见的ARM处理器核心包括Cortex-A系列（用于应用处理器）、Cortex-M系列（用于嵌入式系统和微控制器）和Cortex-R系列（用于实时应用和嵌入式处理器）。
4. 指令集架构（Instruction Set Architecture）：定义了一套计算机指令的规范和编码方式。
ARM指令集架构包括ARMv8-A、ARMv7-A、ARMv6-M等不同的版本，不同版本支持不同的指令集和功能。
5. 寄存器：位于处理器核心内部的高速存储器，用于存储指令执行过程中需要操作的数据。
ARM体系结构中，常见的寄存器包括通用寄存器、程序计数器、状态寄存器等。
6. 多核处理器（Multi-core Processor）：使用多个处理器核心的处理器。
ARM 架构支持多核处理器的设计，使得多个核心可以同时进行计算任务，提高处理能力和并行性能。
7. SoC（System on a Chip）：一种集成了多个功能组件的芯片，包括处理器核心、内存控制器、I/O接口等。
ARM架构广泛应用于SoC的设计，提供了高度集成的解决方案，节省了系统板块的空间和功耗。
ARM架构及ARM指令集、Thumb指令集你了解多少？
ARM架构及ARM指令集、Thumb指令集你了解多少？1991 年ARM 公司成⽴于英国剑桥，在成⽴后的那⼏年，ARM业绩平平，⼯程师们也⼈⼼惶惶，害怕随时都会失业。
在这个情况下，ARM 决定改变他们的产品策略——他们不再⽣产芯⽚，转⽽以授权的⽅式，将芯⽚设计⽅案转让给其他公司，即“Partnership”开放模式。
没想到正是这种模式，开创了属于ARM的全新时代。
ARM所采取的是IP(Intellectual Property，知识产权)授权的商业模式，收取⼀次性技术授权费⽤和版税提成。
具体来说，ARM有三种授权⽅式：处理器、POP以及架构授权。
处理器授权是指授权合作⼚商使⽤ARM设计好的处理器，对⽅不能改变原有设计，但可以根据⾃⼰的需要调整产品的频率、功耗等。
POP(processor optimization pack，处理器优化包)授权是处理器授权的⾼级形式， ARM出售优化后的处理器给授权合作⼚商，⽅便其在特定⼯艺下设计、⽣产出性能有保证的处理器。
架构授权是ARM会授权合作⼚商使⽤⾃⼰的架构，⽅便其根据⾃⼰的需要来设计处理器(例如后来⾼通的Krait架构和苹果的Swift架构，就是在取得ARM的授权后设计完成的)。
所以，授权费和版税就成了ARM的主要收⼊来源。
除此之外，就是软件⼯具和技术⽀持服务的收⼊。
⼀、ARM 微处理器的应⽤领域及特点ARM处理器市场覆盖率最⾼、发展趋势⼴阔，基于ARM技术的32位微处理器，市场的占有率⽬前已达到80%。
绝⼤多数IC制造商都推出了⾃⼰的ARM结构芯⽚。
我国的中兴集成电路、⼤唐电讯、华为海思、中芯国际和上海华虹，以及国外的⼀些公司如德州仪器、意法半导体、Philips、Intel、Samsung等都推出了⾃⼰设计的基于ARM核的处理器。
⼯业控制领域：作为32 的RISC 架构，基于ARM 核的微控制器芯⽚不但占据了⾼端微控制器市场的⼤部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应⽤领域扩展，ARM 微控制器的低功耗、⾼性价⽐，向传统的8 位/16 位微控制器提出了挑战。
arm相关概念
arm相关概念ARM相关概念1. ARM架构简介•ARM架构是一种低功耗、高性能的处理器架构。
•ARM架构广泛应用于移动设备、嵌入式系统和智能硬件等领域。
•ARM架构采用精简指令集(RISC)的设计，具有较高的能效比和较低的功耗。
2. ARM处理器•ARM处理器是基于ARM架构设计的中央处理器(CPU)。
•ARM处理器具有多种系列和型号，包括Cortex-A系列、Cortex-R 系列和Cortex-M系列等。
•Cortex-A系列适用于高性能应用，如智能手机和平板电脑。
•Cortex-R系列适用于实时应用，如汽车电子系统和工业控制。
•Cortex-M系列适用于低功耗应用，如物联网设备和传感器。
3. ARM指令集•ARM指令集是ARM处理器所支持的指令集合。
•ARM指令集分为ARM指令集和Thumb指令集两种。
•ARM指令集提供32位的指令，适用于高性能应用。
•Thumb指令集提供16位的指令，适用于低功耗应用。
•ARM处理器可以在ARM指令集和Thumb指令集之间进行切换，以提高能效和节省存储空间。
4. ARM体系结构•ARM体系结构是指ARM处理器的整体结构和设计。
•ARM体系结构包括核心处理单元(CPU)、内存管理单元(MMU)、缓存等组件。
•ARM体系结构面向各种应用需求，提供不同级别的性能和功能选择。
•ARM体系结构允许系统设计者根据实际需求进行定制和优化。
5. ARM开发工具和平台•ARM开发工具和平台是用于开发和调试ARM架构软件的工具和环境。
•ARM开发工具包括编译器、调试器和仿真器等。
•ARM开发平台包括开发板、集成开发环境(IDE)和软件开发工具包(SDK)等。
•ARM开发工具和平台提供了丰富的开发资源，帮助开发者快速构建和优化ARM架构的应用程序。
6. ARM生态系统•ARM生态系统是指围绕ARM架构建立起来的全球化合作伙伴网络。
•ARM生态系统包括芯片厂商、设备制造商、软件开发商和解决方案提供商等。
乘法其他指令
3.2 ARM指令系统 指令系统 • ARM指令——乘法指令
助记符 MUL MLA Rd,Rm,Rs Rd,Rm,Rs,Rn 说明 32位乘法指令 32位乘加指令 64位无符号乘法指令 64位无符号乘加指令 64位有符号乘法指令 64位有符号乘加指令 操作 Rd←Rm*Rs (Rd≠Rm) Rd←Rm*Rs+Rn (Rd≠Rm) (RdLo,RdHi) ←Rm*Rs (RdLo,RdHi) ←Rm*Rs+(RdLo,RdHi) (RdLo,RdHi) ←Rm*Rs (RdLo,RdHi) ←Rm*Rs+(RdLo,RdHi) 条件码位置 MUL{cond}{S} MLA{cond}{S} UMULL{cond}{S} UMLAL{cond}{S} SMULL{cond}{S} SMLAL{cond}{S}
<MTSE1.0>
3.2 ARM指令系统 指令系统 • ARM指令——乘法指令
助记符 MUL MLA Rd,Rm,Rs Rd,Rm,Rs,Rn 说明 32位乘法指令 32位乘加指令 64位无符号乘法指令 操作 Rd←Rm*Rs (Rd≠Rm) Rd←Rm*Rs+Rn (Rd≠Rm) (RdLo,RdHi) ←Rm*Rs (RdLo,RdHi) ←Rm*Rs+(RdLo,RdHi) (RdLo,RdHi) ←Rm*Rs (RdLo,RdHi) ←Rm*Rs+(RdLo,RdHi) 条件码位置 MUL{cond}{S} MLA{cond}{S} UMULL{cond}{S}
MUL MULS MLA 错例: MUL MLA R15,R0,R3 R1 ,R1,R6 R1,R2,R3 ;R1=R2×R3
R0,R3,R7 ;R0=R3×R7，同时影响CPSR中的N位和Z位 R1,R2,R3,R0 ;R1=R2×R3+R0
arm工作模式
arm工作模式ARM工作模式。
ARM（Advanced RISC Machines）是一种基于精简指令集（RISC）架构的处理器架构，广泛应用于移动设备、嵌入式系统和消费电子产品中。
ARM处理器具有低功耗、高性能和灵活的特点，支持多种工作模式，本文将介绍ARM处理器的工作模式及其特点。
1. 用户模式。
用户模式是ARM处理器的普通工作模式，也是处理器上电后的初始工作模式。
在用户模式下，处理器可以执行大多数指令和访问大多数资源，但受到一定的限制，无法直接执行特权指令或者访问特权资源。
用户模式下的程序运行在用户空间，只能访问自己的地址空间，不能直接访问操作系统或者其他程序的地址空间。
用户模式是保护系统安全和稳定性的重要手段，有效隔离了不同程序和用户之间的资源访问，防止恶意程序对系统造成破坏。
2. 特权模式。
特权模式是ARM处理器的特殊工作模式，也称为监管模式或者系统模式。
在特权模式下，处理器可以执行特权指令和访问特权资源，例如修改控制寄存器、访问系统内存等。
特权模式通常由操作系统内核或者系统软件使用，用于管理系统资源、处理异常和中断、执行特权操作等。
特权模式下的程序运行在内核空间，拥有更高的权限和更广泛的资源访问能力，可以对系统进行更深层次的控制和管理。
3. 异常模式。
异常模式是ARM处理器的响应异常事件的工作模式，也称为异常处理模式。
在异常模式下，处理器响应异常事件，暂停当前程序的执行，转而执行异常处理程序，处理异常事件并恢复正常的程序执行。
异常事件包括中断、陷阱、系统调用等，可以由硬件、软件或者外部设备触发。
异常模式是保证系统安全和稳定性的重要手段，有效处理和响应异常事件，防止系统崩溃或者数据丢失。
4. 睡眠模式。
睡眠模式是ARM处理器的低功耗工作模式，也称为休眠模式或者省电模式。
在睡眠模式下，处理器暂停大部分工作，降低主频和电压，以减少功耗和延长电池续航时间。
睡眠模式通常由操作系统或者应用程序使用，用于在设备空闲或者长时间不使用时，自动进入低功耗状态。
ARM体系结构与编程PPT课件
ARM的命名规则
ARM的命名分成两类： 基于ARM Architecture的版本命名规则； 基于ARM Architecture版本的处理器系列命名规则。 举个例子，s3c2410采用ARMv4T架构版本，ARM920T处理
器系列，其中处理器核为ARM9TDMI。
2021/4/13
基于ARM Architecture的版本命名
3）增强型DSP指令（E变种） E变种的ARM体系增加了一些增强处理器对典型的DSP算法 处理能力的附加指令。
4）Java加速器Jazelle（J变种） ARM的Jazelle技术是Java语言和先进的32位RISC芯片完美结
合的产物 。 5）ARM媒体功能扩展（SIMD变种）
2021/4/13
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
推动嵌入式DSP处理器发展的另一个因素是嵌入式系统的智能化，例如各 种带有智能逻辑的消费类产品，生物信息识别终端，带有加解密算法的键盘， ADSL 接入、实时语音压解系统，虚拟现实显示等。这类智能化算法一般都是 运算量较大，特别是向量运算、指针线性寻址等较多，而这些正是DSP 处理 器的长处所在。
ARM的体系结构与编程
MPU支持实时操作系统。 支持数据Cache和指令Cache，具有更高的指令和数据处理能力。
ARM微处理器系列
ARM9微处理器系列
ARM9系列微处理器主要应用于无线设备、仪器 仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数字照 相机和数字摄像机等。
ARM9系列微处理器包含ARM920T、ARM922T和 ARM940T三种类型，以适用于不同的应用场合。
ARM微处理器系列
StrongARM微处理器系列 （StrongARM SA-110 微处理器）
早期Intel StrongARM SA-1100处理器是采用ARM体系结 构高度集成的32位RISC微处理器。它融合了Intel公司的 设计和处理技术以及ARM体系结构的电源效率，采用在软 件上兼容ARMv4体系结构、同时采用具有Intel技术优点 的体系结构。
全性能的MMU，支持众多嵌入式操作系统。
支持数据Cache和指令Cache，具有更高的处理能力。
主频最高可达300M。
ARM微处理器系列
ARM9E微处理器系列
ARM9E系列微处理器主要应用于下一代无线设 备、数字消费品、成像设备、工业控制、存储 设备和网络设备等领域。
ARM9E系列微处理器包含ARM926EJ-S、 ARM946E-S和ARM966E-S三种类型，以适用于不 同的应用场合。
ARM技术的应用领域及特点
ARM微处理器的特点—大量使用寄存器
ARM 处理器共有37个寄存器，被分为若干个组，这些 寄存器包括：
31个通用寄存器，包括程序计数器（PC 指针）， 均为32位的寄存器；
6个状态寄存器，用以标识CPU的工作状态及程 序的运行状态，均为32位。
ARM技术的应用领域及特点
arm 汇编 svc指令
其中，`<imm>`是一个立即数，用于指定服务调用的编号或标识符。具体的编号和含义 由操作系统定义，不同的操作系统可能有不同的服务调用编号。
当执行到"svc"指令时，处理器会将当前的程序状态保存起来，并跳转到操作系统的服务 处理例程。在服务处理例程中，操作系统会根据传递的服务调用编号执行相应的操作，完成 后再返回到用户程序继续执行。
arm 汇编 svc指令
在ARM汇编语言中，"svc"指令是一条特殊的指令，用于触发操作系统的服务调用（ Service Call）。这条指令通常用于用户程序向操作系统发起请求，以执行一些特权操作或访 问受限资源。
"指令的语法如下：
```assembly svc <imm> ```
arm 汇编 svc指令