體系結(jié)構(gòu)及GPIO樣本

1、實(shí)驗(yàn)二ARM體系結(jié)構(gòu)及GPIO一實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私獠⒄莆誂RM7芯片的體系結(jié)構(gòu)，能熟練的對(duì)個(gè)端口進(jìn)行操作，熟悉嵌入式 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試的基本技術(shù)。二實(shí)驗(yàn)任務(wù)1熟悉和掌握ADS1.2軟件的使用。2利用ARM實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái)，了解系統(tǒng)啟動(dòng)流程，端口控制程序，并完成調(diào)試 工作。三實(shí)驗(yàn)設(shè)備PC機(jī)一臺(tái)ARM實(shí)驗(yàn)開發(fā)板及相關(guān)設(shè)備一套ADS1.2開發(fā)軟件一套四實(shí)驗(yàn)原理ARM體系結(jié)構(gòu)概述從最初開發(fā)到現(xiàn)在，ARM指令集體系結(jié)構(gòu)有了巨大的改進(jìn)，并在不斷完善和 發(fā)展。為了清楚地表示每個(gè)ARM應(yīng)用實(shí)例所使用的指令集，ARM公司定義了5種 主要的ARM指令集體系結(jié)構(gòu)版本，以版本號(hào)vlv5表示。版本1(v1 )在ARM 1中使用，由

2、于只有26位的尋址空間(現(xiàn)已廢棄不用) 從為商業(yè)化，該版本包括；基本的數(shù)據(jù)處理指令(不包括乘法)；字節(jié)、字和半字加載、存儲(chǔ)指令；分支指令(branch),包括在子程序調(diào)用中使用的分支和鏈接指令；在操作系統(tǒng)調(diào)用中使用的軟件中斷指令；版本2(v2)依然只有26位尋址空間(現(xiàn)己廢棄不用)，但相對(duì)版本1增 加了以下內(nèi)容：乘法和乘加指令；協(xié)處理器支持；快速中斷模式中的兩個(gè)以上的分組寄存器；原子性加載存儲(chǔ)指令SWP和SWPB(稍后版本中稱作v2a);版本3(v3)將尋址范圍擴(kuò)展到32位；先前存儲(chǔ)于R15的程序狀態(tài)信息 存儲(chǔ)在新的當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器(CPSR)中，且增加了程序狀態(tài)保存寄存器 (SPSR),以

3、便出現(xiàn)異常時(shí)保存CPSR中的內(nèi)容。另外，版本3還增加了兩種處理 器模式，以便在操作系統(tǒng)代碼中有效地使用數(shù)據(jù)中止(Data Abort)、取值中止 (Prefetch Abort)和未定義指令異常(Undefined Instruction Exception)。相 應(yīng)地，版本3指令集發(fā)生如下改變：增加了兩個(gè)指令MRS和MSR允許訪問新的CPSR和SPSR寄存器；修改過去用于異常返回指令的功能，以便繼續(xù)使用。版本4(v4)不再強(qiáng)制要求與以前的版本兼容以支持26位體系結(jié)構(gòu)，清 楚地指明哪個(gè)指令會(huì)引起未定義指令異常發(fā)生。版本4在版本3的基礎(chǔ)上增加了 如下內(nèi)容：半字加載/存儲(chǔ)指令；字節(jié)和半字的加載和符

4、號(hào)擴(kuò)展(sign-extend)指令；在T變量中，轉(zhuǎn)換到Thumb狀態(tài)的指令；使用用戶(User)模式寄存器的新的特權(quán)處理器模式。版本5(v5)在版本4的基礎(chǔ)上，對(duì)現(xiàn)有指令的定義進(jìn)行了必要的修正, 對(duì)版本4體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了擴(kuò)展，并增加了指令，具體如下：改進(jìn)在T變量中ARM/Thumb狀態(tài)之間的切換效率；允許非丁變量和T變量一樣，使用相同的代碼生成技術(shù)；增加討”數(shù)的導(dǎo)零指令，允許更有效的整數(shù)除法和中斷優(yōu)先程序；增加軟件斷點(diǎn)指令；增加更多可選擇的指令以方便協(xié)處理器設(shè)計(jì)者：對(duì)乘法指令如何設(shè)置標(biāo)志進(jìn)行了嚴(yán)格的定義。數(shù)據(jù)類型ARM處理器支持下列數(shù)據(jù)類型：Byte字節(jié)，8位Halfword 半字，16位（半

5、寧必須和2字節(jié)邊界對(duì)準(zhǔn)）Word 字，32位（字必須與4字節(jié)邊界對(duì)準(zhǔn)）ARM微處理器的工作狀態(tài)ARM微處理器的工作狀態(tài)一般有兩種，并可在兩種狀態(tài)之間切換：ARM狀態(tài)：此時(shí)處理器執(zhí)行32位的字對(duì)齊的ARM指令；Thumb狀態(tài)，：此時(shí)處理器執(zhí)行16位的、半字對(duì)齊的Thumb指令。THUMB指令是ARM指令的子集，它們之間能夠相互調(diào)用，只要遵循一定的調(diào) 用規(guī)則。當(dāng)操作數(shù)寄存器的狀態(tài)位（位0）為1時(shí)，能夠采用執(zhí)行BX指令的方 法，使微處理器從ARM狀態(tài)切換到Thumb狀態(tài)。當(dāng)處理器處于Thumb狀態(tài)時(shí)發(fā)生 異常（如IRQ、FIQ、Undef、Abort、SWI等），則異常處理返回時(shí)，自動(dòng)切 換到Thu

6、mb狀態(tài)。當(dāng)操作數(shù)寄存器的狀態(tài)位為0時(shí)，執(zhí)行BX指令時(shí)能夠使微處 理器從Thumb狀態(tài)切換到ARM狀態(tài)。在處理器進(jìn)行異常處理時(shí)，把PC指針放入 異常模式鏈接寄存器中，并從異常向量地址開始執(zhí)行程序，也能夠使處理器切 換到ARM狀態(tài)。處理器模式ARM體系結(jié)構(gòu)支持7種處理器模式，軟件控制、外部中斷和異常處理都能夠 使模式發(fā)生改變。用戶模式（usr） : ARM處理器正常的程序執(zhí)行狀態(tài)；快速中斷模式（fiq）:用于高速數(shù)據(jù)傳輸或通道處理；普通中斷模式（irq）:用于通用的中斷處理；服務(wù)模式（svc）:操作系統(tǒng)使用的保護(hù)模式；中止模式（abt）:用于虛擬存儲(chǔ)及存儲(chǔ)保護(hù)；未定義模式（und）:當(dāng)出現(xiàn)未定義

7、指令終止時(shí)進(jìn)入該模式；系統(tǒng)模式（sys）:運(yùn)行具有特權(quán)的操作系統(tǒng)任務(wù)；除了用戶模式之外的其它6種處理器模式稱為特權(quán)模式。特權(quán)模式下，程序 能夠訪問所有的系統(tǒng)資源，也能夠任意地進(jìn)行處理器模式的切換。特權(quán)模式中， 除系統(tǒng)模式外，其它5種模式又稱為異常模式。大多數(shù)的用戶程序運(yùn)行在用戶模 式下，此時(shí)，應(yīng)用程序不能夠訪問一些受操作系統(tǒng)保護(hù)的系統(tǒng)資源，應(yīng)用程序 也不能直接進(jìn)行處理器模式的切換。用戶模式下，當(dāng)需要進(jìn)行處理器模式切換時(shí), 應(yīng)用程序能夠產(chǎn)生異常處理，在異常處理中進(jìn)行處理器模式的切換。處理器模式能夠經(jīng)過軟件進(jìn)行切換，也能夠經(jīng)過外部中斷或者異常處理過 程進(jìn)行切換。當(dāng)應(yīng)用程序發(fā)生異常中斷時(shí)，處理器進(jìn)入

8、相應(yīng)的異常模式。在每一 種異常模式下都有一組寄存器，供相應(yīng)的異常處理程序使用，這樣就能夠保證 在進(jìn)入異常模式時(shí)，用戶模式下的寄存器不被破壞。系統(tǒng)模式并不是經(jīng)過異常進(jìn)入的，它和用戶模式具有完全一樣的寄存器?？?是系統(tǒng)模式屬于特權(quán)模式，能夠訪問所有的系統(tǒng)資源，也能夠直接進(jìn)行處理器 模式切換。它主要供操作系統(tǒng)任務(wù)使用。一般操作系統(tǒng)的任務(wù)需要訪問所有的系 統(tǒng)資源，同時(shí)該任務(wù)依然使用用戶模式的寄存器組，而不是使用異常模式下相 應(yīng)的寄存器組，這樣能夠保證當(dāng)異常中斷發(fā)生時(shí)任務(wù)狀態(tài)不被破壞。ARM微處理器的存儲(chǔ)器格式ARM體系結(jié)構(gòu)所支持的最大尋址空間為4GB。將存儲(chǔ)器看作是從零地址開始的 字節(jié)的線性組合。從零

9、字節(jié)到三字節(jié)放置第一個(gè)存儲(chǔ)的字?jǐn)?shù)據(jù)，從第四個(gè)字節(jié)到 第七個(gè)字節(jié)放置第二個(gè)存儲(chǔ)的字?jǐn)?shù)據(jù)，依次排列。ARM體系結(jié)構(gòu)能夠用兩種方法 存儲(chǔ)字?jǐn)?shù)據(jù)，稱之為大端格式和小端格式。大端格式：在這種格式中，字?jǐn)?shù)據(jù)的高字節(jié)存儲(chǔ)在低地址中，而字?jǐn)?shù)據(jù)的 低字節(jié)則存放在高地址中。小端格式：與大端存儲(chǔ)格式相反，在小端存儲(chǔ)格式中，低地址中存放的是 字?jǐn)?shù)據(jù)的低字節(jié)， 高地址存放的是字?jǐn)?shù)據(jù)的高字節(jié)。ARM微處理器的指令長度能夠是32位（在ARM狀態(tài)下），也能夠?yàn)?6位（在 Thumb狀態(tài)下）ARM微處理器中支持字節(jié)（8位）、半字（16位）、字（32位） 三種數(shù)據(jù)類型，其中，字需要4字節(jié)對(duì)齊（地址的低兩位為0）、半字需要2字節(jié)

10、對(duì)齊（地址的最低位為0）寄存器ARM處理器共具有37個(gè)32位的寄存器：31個(gè)通用寄存器，6個(gè)狀態(tài)寄存器, 但并不是所有的寄存器都能總是被訪問到。在某一時(shí)刻寄存器能否訪問，由處理 器的當(dāng)前工作狀態(tài)和操作模式?jīng)Q定。根據(jù)微處理器內(nèi)核的當(dāng)前工作狀態(tài)，可分別訪問ARM狀態(tài)寄存器集和Thumb 狀態(tài)寄存器集。ARM狀態(tài)寄存器集包含16個(gè)能夠直接訪問的寄存器：R0R15。 除R15以外，其余的寄存器為通用寄存器，可用于存放地址或數(shù)據(jù)值R16寄存 器是當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器CPSR,用于保存狀態(tài)信息。詳細(xì)的說明如下：ARM狀態(tài)下的寄存器組織通用寄存器：通用寄存器包括R0R15,可分為三類未分組寄存器R0R7在所有

11、的運(yùn)行模式下，未分組寄存器都指向同一個(gè)物理寄存器，她們未被 系統(tǒng)用作特殊的用途，因此，在中斷或異常處理進(jìn)行運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換時(shí)，由于不 同的處理器運(yùn)行模式均使用相同的物理寄存器，可能會(huì)造成寄存器中數(shù)據(jù)的破 壞，這一點(diǎn)在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)引起注意。分組寄存器R8R14每次所訪問的物理寄存器與處理器當(dāng)前的運(yùn)行模式有關(guān)。當(dāng)使用fiq模式時(shí)， 訪問寄存器R8_fiqR12_fiq;當(dāng)使用除fiq模式以外的其它模式時(shí)，訪問寄存 器R8_usrR12_usr。R13、R14:每個(gè)寄存器對(duì)應(yīng)6個(gè)不同的物理寄存器。其中的一個(gè)是用戶模式 與系統(tǒng)模式共用，另外5個(gè)物理寄存器對(duì)應(yīng)于其它5種不同的運(yùn)行模式。采用以下 的記號(hào)來

12、區(qū)分不同的物理寄存器：R13_R14_mode 為以下幾種之一：usr、 fiq、 irq、 svc、 abt、 und。R13在ARM指令中常見作堆棧指針，但這只是一種習(xí)慣用法，用戶也可使用 其它的寄存器作為堆棧指針。在Thumb指令集中，某些指令強(qiáng)制性的要求使用R13 作為堆棧指針。由于處理器的每種運(yùn)行模式均有自己獨(dú)立的物理寄存器R13,在 初始化部分，都要初始化每種模式下的R13,這樣，當(dāng)程序的運(yùn)行進(jìn)入異常模式 時(shí)，能夠?qū)⑿枰Ｗo(hù)的寄存器放入R13所指向的堆棧，而當(dāng)程序從異常模式返回 時(shí)，則從對(duì)應(yīng)的堆棧中恢復(fù)。R14也稱作子程序連接寄存器或連接寄存器LR。當(dāng)執(zhí)行BL子程序調(diào)用指令時(shí), 能

13、夠從R14中得到R15（程序計(jì)數(shù)器PC）的備份。其它情況下，R14用作通用寄存 器。在每一種運(yùn)行模式下，都可用R14保存子程序的返回地址，當(dāng)用BL或BLX指令 調(diào)用子程序時(shí)，將PC的當(dāng)前值拷貝給R14,執(zhí)行完子程序后，又將R14的值拷貝 回PC,即可完成子程序的調(diào)用返回。程序計(jì)數(shù)器PC（R15）R15雖然也可用作通用寄存器，但一般不這么使用，因?yàn)閷?duì)R15的使用有一 些特殊的限制，當(dāng)違反了這些限制時(shí)，程序的執(zhí)行結(jié)果是未知的。由于ARM體系 結(jié)構(gòu)采用了多級(jí)流水線技術(shù)，對(duì)于ARM指令集而言，PC總是指向當(dāng)前指令的下兩 條指令的地址，即PC的值為當(dāng)前指令的地址值加8個(gè)字節(jié)。程序狀態(tài)寄存器（CPSR/S

14、PSR）寄存器R16用作CPSR（當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器），CPSR可在任何運(yùn)行模式下被 訪問，它包括條件標(biāo)志位、中斷禁止位、當(dāng)前處理器模式標(biāo)志位，以及其它一 些相關(guān)的控制和狀態(tài)位。每一種運(yùn)行模式下又都有一個(gè)專用的物理狀態(tài)寄存器， 稱為SPSR （備份的程序狀態(tài)寄存器），異常發(fā)生時(shí)，SPSR用于保存CPSR的值， 從異常退出時(shí)則可由SPSR來恢復(fù)CPSR。由于用戶模式和系統(tǒng)模式不屬于異常模 式，她們沒有SPSR,當(dāng)在這兩種模式下訪問SPSR,結(jié)果是未知的。程序狀態(tài)寄存器的每一位的安排：N、Z、C、V均為條件碼標(biāo)志位。它們的內(nèi)容可被算術(shù)或邏輯運(yùn)算的結(jié)果所改變，而且能夠決定某條指令是否被執(zhí)行。在ARM狀態(tài)下，絕大多數(shù)的指令都是有條件執(zhí)行的。在Thumb狀態(tài)下，僅有分支指令是有條件執(zhí)行的。標(biāo)志位的含義如下：標(biāo)志 位含義N當(dāng)用兩個(gè)補(bǔ)碼表示的帶符號(hào)數(shù)進(jìn)行運(yùn)算時(shí)，N=1表示運(yùn) 算的結(jié)果為負(fù)麴N二。表示運(yùn)算的結(jié)果為正數(shù)或零；Z2=1表示運(yùn)算的結(jié)果為零；表示運(yùn)算的結(jié)果為非C笳法運(yùn)算結(jié)果進(jìn)位時(shí)，C=b減桂運(yùn)算借位時(shí)C二0； 移位操作的非加/減運(yùn)算指令，