计算机原理与嵌入式系统笔记：第二篇

ARM指令系统

本课程讲解内容主要基于ARM7处理器

概述

记一下ARM的处理器组成

[{"url":"https://webp.esing.dev/img/image-20240422202917823_2024-4-22_2029_pcgei6p5p3.png","alt":"ARM处理器组成1"},{"url":"https://webp.esing.dev/img/image-20240422202940202_2024-4-22_2029_t8ve74awlo.png","alt":"ARM处理器组成2"}]

编程模型

什么是编程模型？

编程模型(Programming Model) 是所有用户可见的寄存器的集合。

用户级程序使用的寄存器：

15个通用32位寄存器(r0~r14)
1个程序计数器PC(r15)
1个当前状态寄存器(CPSR,Current Program Status Register)

r0-r3用于参数传入。如果需要的参数超过4个，则将被置于栈中r11为帧指针寄存器(Frame Pointer, FP)
r13为栈指针寄存器(Stack Pointer, SP)
r14为链接寄存器(Link Register, LR)
r15为程序计数器(Program Counter, PC)

处理器模式

用户模式：正常的程序执行状态
系统模式：运行具有特权的操作系统任务
FIQ 模式(Fast Interrupt Request)：用于支持高速数据传输或通道处理
IRQ 模式(Interrupt Request)：用于通用中断处理
SVC 模式(Supervisor)：用于操作系统的保护模式
ABT 模式(Abort)：在一个数据或指令预取异常终止的时候进入的模式
UND 模式(Undefined)：在执行了一个未定义的指令的时候进入的模式

ARM处理器模式由CPSR寄存器的mode[4:0]控制。

异常模式

异常类型	处理器模式	异常向量地址	优先级
复位	管理	0×00000000	1
未定义指令	未定义	0×00000004	7
软件中断	管理	0×00000008	6
预取中止	中止	0×0000000C	5
数据中止	中止	0×00000010	2
中断IRQ	中断	0×00000018	4
快中断FIQ	快中断	0×0000001C	3

关于中断

收到中断请求之后，处理器暂停执行当前程序，转而执行中断服务程序，处理完毕后再返回到程序断点处，继续执行原来的程序。

各模式下的寄存器

记一记，很容易搞混

R0~R7：保存数据或地址值的通用寄存器
R8~R14和SPSR：取决于当前的处理器模式
- R8~R12有2组不同的物理寄存器：一组用于除FIQ模式之外的所有寄存器模式(R8~R12)，另一组用于FIQ模式(R8_fiq~R12_fiq)；
- R13和R14分别有6个不同的物理寄存器：1个是用户模式和系统模式公用，其余5个分别对应于其他5种异常模式。
- SPSR有5个不同的物理寄存器：分别对应于其他5种异常模式，注意用户模式和系统模式下没有该寄存器。

异常

当出现异常时，异常模式的R14和SPSR寄存器用于保存状态。

当ARM处理器遇到一条自己和系统内协处理器都无法处理的指令时，这时将产生未定义指令异常中断。从未定义指令异常状态返回时，处理器执行下面的指令：

MOVS PC, R14_und

练习

[{"url":"https://webp.esing.dev/img/image-20240422213247674_2024-4-22_2132_bbc9l1vy7k.png","alt":""},{"url":"https://webp.esing.dev/img/image-20240422213344797_2024-4-22_2133_g6eviivoj8.png","alt":""},{"url":"https://webp.esing.dev/img/image-20240422213445326_2024-4-22_2134_ce9hlv0ksn.png","alt":""}]

答案

CPSR

N：当用两个补码表示的带符号数进行运算时，N=1表示运算的结果为负数；N=0表示运算的结果为正数或零。
Z：Z=1表示运算结果为零；Z=0表示运算结果为非零。
C：可以有4种方法设置C的值
加法运算（包括CMN）：产生进位C=1，否则C=0。
减法运算（包括CMP）：产生借位C=0，否则C=1。
包含RRX的非加/减运算指令：C为移出值的最后一位。
对于其他非加减运算指令，C值通常保持不变。
V：当操作数和运算结果为二进制的补码表示的带符号数时，V=1表示符号位溢出。对于其他非加减运算，V的值通常保持不变。

NZ较简单，略过。

进位 C

mov  w0,#0xaa		; w0的最高位为1

adds w0,w0,w0   	; 执行后 相当于 10101010 << 1 最高位进位1 C标记 为 1
adds w0,w0,w0   	; 执行后 相当于 01010101 << 1 最高位进位0 C标记 为 0

mov  w0,#0x0		; wo = 0x0, 二进制0000

subs w0,w0,#0xff 	; w0 - 0xff = 0x00 - 0xff = 0x00 + 0xffffff01 = 0xffffff01
			; 没有进位， C = 0
subs w0,w0,#0xff	; wo - 0xff = 0xffffff01 - 0xff = 0xffffff01 + 0xffffff01
			; 有进位， C = 1
subs w0,w0,#0xff

将减法转换成加法后运算。

C标志位可理解为两无符号数相加时，有进位则C=1。

溢出 V

对2进制补码表示的有符号数的加/减运算的溢出判断：

两个正数（MSB都是0）相加，结果为一个负值（MSB为1）
两个负数（MSB都是1）相加，结果为一个正值（MSB为0）

处理器对两个操作数进行运算时，按照无符号数求得结果，并相应设置进位标志C；根据是否超出有符号数的范围设置溢出标志V。

练习

[{"url":"https://webp.esing.dev/img/image-20240422215153199_2024-4-22_2151_b2aqsajfae.png","alt":""},{"url":"https://webp.esing.dev/img/image-20240422215205430_2024-4-22_2152_j1edouq89s.png","alt":""}]

答案

  0x 7fffffff		正数，最高位为0，0111
+ 0x 00000001 
---------------
  0x 8ffffff0		最高位溢出，符号位变成1（有符号）
             		但最高位为0+1=1，未进位（无符号）

存储器系统

标准的ARM字是32位长，每个字分为4个8位字节，或2个16位半字。
字总是以4字节边界对准，半字则以偶数字节的边界对准。
ARM允许按字节寻址，每个地址对应一个字节，而不是一个字。
ARM使用2³²个8位字节的地址空间，字节地址从0到2³²-1

大小端

大端存储中，数据的高位字节（最高有效字节）保存在内存的低地址处，而低位字节（最低有效字节）保存在高地址处。
小端存储中，数据的低位字节保存在内存的低地址处，而高位字节保存在高地址处。

对于半字，寻址需要和两字节进行对齐。

|   Addr.  |  Cont. |   Addr.  |  Cont. |
|---- BigEndian ----|--- SmallEndian ---|  0x12345678
|  0x4000  |  0x12  |  0x4000  |  0x78  |
|  0x4001  |  0x34  |  0x4001  |  0x56  |
|  0x4002  |  0x56  |  0x4002  |  0x34  |
|  0x4003  |  0x78  |  0x4003  |  0x12  |

[{"url":"https://webp.esing.dev/img/image-20240422220856471_2024-4-22_2209_vg2tqm7clc.png","alt":""},{"url":"https://webp.esing.dev/img/image-20240422220917606_2024-4-22_2209_2c6c0ulgf4.png","alt":""}]

答案

0x4003 0x4002 0x4001 0x4000 | C
 0x78   0x56   0x34   0x12  |

0x1003 0x1002 0x1001 0x1000 | CD
    0xba98        0xfedc    |