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1 嵌入式系统设计与应用第五章 ARM 与 Thumb 指令集西安交通大学电信学院任鹏举

2 1 深入 ARM 指令集在以字节为单位寻址的存储器中, 有两种方式来存储字, 这根据最低有效字节与相邻较高有效字节相比是存在较低的还是较高的地址来划分 On holy wars and a plea for peace 小端大端

3 条件执行 ARM 指令集不同寻常的特征是, 条件执行不仅应用于转移指令, 也可以应用于所有的 ARM 指令条件域 (condition field) 占据 32 位指令域的高 4 位条件域共有 16(4-bits) 个值, 每个值都根据 CPSR 中标志位 N Z C 和 V 的值来确定指令是执行还是跳过

4 条件执行 ( 举例 ) ARM 指令集不同寻常的特征是, 条件执行不仅应用于转移指令, 也可以应用于所有的 ARM 指令 CMP r0, #5 BEQ BYPASS ADD r1, r1, r0 SUB r1, r1, r2 BYPASS.. If (r0!= 5) { r1 = r1 + r0 r2} CMP r0, #5 ADDNE r1, r1, r0 SUBNE r1, r1, r2

5 条件执行码一般不应使用

6 转移及转移链接 (B,BL) 指令汇编格式 : B{L}{<cond>} <target address> 转移和转移链接指令使处理器开始执行来自新地址的指令地址计算方式 : 先对指令中定义的 24 位偏移量进行符号扩展, 左移两位形成字的偏移, 然后将它加到程序计数器转移指令的范围为 +/-32MB 转移指令有位 L( 第 24 位 ) 置位的链接形式, 它将转移后下一条指令的地址传送到当前处理器模式下的链接寄存器 (r14) 这一般用于实现子程序的调用, 返回时将链接寄存器的内容拷贝回 PC

7 B&BL 指令示例 (1) 1. 无条件跳转 : B Label Label 2. 执行循环 10 次 : MOV r0, #10 LOOP SUBS r0, #1 BNE LOOP

8 B&BL 指令示例 (2) 3. 调用子程序 : SUB BL SUB 4. 条件子程序调用 : MOV pc, r14 CMP r0, #5 BLLT SUB1 BLGE SUB2

9 数据处理指令汇编格式 :<op>{<cond>}{s} Rd, Rn, #<32bit immediate> <op>{<cond>}{s} Rd, Rn, Rm, {<shift>} < shift>:#shift or Rs S : CPSR 里的条件码随处理结果改变

10 ARM 数据处理指令

11 单字与无符号字节传送指令 (1) 前变址指令格式如下 : LDR STR {<cond>}{b} Rd, [Rn, <offset>]{!} 后变址指令格式如下 : LDR STR {<cond>}{b}{t} Rd, [Rn], <offset> 例如 : STRB r0, [r1], #4 一种有用的相对 PC 的形式 ( 由汇编器计算所需立即数 ): LDR STR {<cond>}{b} Rd, LABEL 选择是否自动变址

12 单字与无符号字节传送指令 (2)

13 半字和有符号字节传送指令 (1) 前变址格式 : LDR STR {<cond>}h SH SB Rd, [Rn, <offset>]{!} 后变址格式 : LDR STR {<cond>}h SH SB Rd, [Rn], <offset> <offset> 是 <+/-8 位立即数 > 或 #+/-Rm 例如 : LDRSH r0, [r1], #2

14 半字和有符号字节传送指令 (2) S H 数据类型 1 0 有符号字节 0 1 无符号半字 1 1 有符号半字

15 多寄存器传送指令指令格式 : LDM STM {<cond>}<add mode> Rn{!}, <register> 例 : LDMFD r13!, {r0~r2,pc} STMFD r13!, {r0~r2, r14}

16 指令集的设计 ( 代码密度 ) 功能字操作数 1 操作数 2 目标地址下一条指令地址 Func Op1 Op2 Dst Next PC 功能字操作数 1 操作数 2 目标地址 Func Op1 Op2 Dst ADD d, s1, s2 功能字操作数 1 目标地址 Func Op1 Dst ADD d, s1 功能字操作数 1 Func 功能字 Func Op1 ADD d; 累加器 +1 ADD, 采用求值堆栈全部操作数隐含

17 2 Thumb 指令集 Thumb 指令集是针对代码密度的问题而提出的它可以看作是 ARM 指令压缩形式的子集所有的 Thumb 指令都有相对应的 ARM 指令, 而 Thumb 的编程模型也对应于 ARM 的编程模型在 ARM 指令流水线中实现 Thumb 指令须先进行动态解压缩, 然后再把它作为标准 ARM 指令来执行 Thumb 是一个不完整的体系结构它只支持通用功能, 在必要时需要借助于完整的 ARM 指令集支持 Thumb 指令集的 ARM 处理器也可以执行标准的 32 位 ARM 指令集不是所有的 ARM 处理器都可以执行 Thumb 指令

18 Thumb 的应用 Thumb 的特点 Thumb 代码所需空间为 ARM 代码的 70% Thumb 代码使用的指令数比 ARM 代码多 40% 用 32 位存储器,ARM 代码比 Thumb 代码快 40% 用 16 位存储器,Thumb 代码比 ARM 代码快 45% 使用 Thumb 代码, 外部存储器功耗比 ARM 代码少 30% 若性能最重要, 则系统使用 32 位存储器和运行 ARM 代码 ; 若成本及功耗更重要, 则最好选择 16 位存储器系统及 Thumb 代码若两者结合使用, 会在两方面取得最好的效果 Thumb 系统高端的 32 位 ARM 系统可以用 Thumb 代码实现特定的非关键程序, 以节省功耗或降低对存储器的需求低端的 16 位系统可以有小规模的 32 位片上 RAM 供运行 ARM 代码的关键程序使用, 所有非关键程序使用片外 Thumb 代码

19 CPSR 中的 Thumb 指示位指令流的解释取决于 CPSR 寄存器的第 5 位, 即位 T 若 T 置位, 则认为指令流为 16 位的 Thumb 指令 ; 否则为标准的 ARM 指令并不是所有的 ARM 处理器都支持 Thumb 指令只有在命名中有字母 T 的才支持例如 ARM7TDMI Thumb:16 位压缩指令 On-chip Debug support: 处理器可以暂停相应调试请求 An enhance Multiplier: 高性能,64 位结果输出 Embedded ICE hardware: 支持片上断点和观察点设置

CPSR 回顾 CPRS[4:0] 模式用途寄存器 10000 用户正常用户用户 10001 FIQ 处理快速中断 _fiq 10010 IRQ 处理标准中断 _irq 10011

20 CPSR 回顾 CPRS[4:0] 模式用途寄存器用户正常用户用户 FIQ 处理快速中断 _fiq IRQ 处理标准中断 _irq SVC 处理软件中断 (SWI) _svc 中止处理存储器故障 _abt 未定义处理未定义的指令陷阱 _und 系统运行特权操作系统任务用户

21 进入和退出 Thumb 模式进入 Thumb 模式 : 转向执行 Thumb 指令的通常方法是执行一条交换转移指令 BX(Branch and Exchange) 若 BX 指令指定的寄存器的最低位为 1, 则将 T 置位, 并将 PC 切换为寄存器其余数据位给出的地址退出 Thumb 模式 : 执行 Thumb BX 指令可以显式地返回到 ARM 指令集由于进入异常总是在 ARM 模式进行, 因此, 任何时候发生异常都能隐含地返回到 ARM 指令集

22 Thumb 与 ARM 的异同 Thumb-ARM 相似处 :Thumb 指令都是 16 位, 都有相对应的 ARM 指令, 因此继承了 ARM 指令集的许多特点 Load-Store 结构, 有数据处理数据传送及流控制指令支持 8 位字节 16 位半字和 32 位字数据类型 32 位无分段存储器 Thumb-ARM 差异处 : 为实现 16 位指令长度, 丢弃了 ARM 指令集一些特性大多数 Thumb 指令无条件执行 ( 所有 ARM 指令都支持条件执行 ) 大多数 Thumb 数据处理指令采用 2 地址格式 ( 目的寄存器与一个源寄存器相同 )( 除 64 位乘法指令外,ARM 数据处理指令采用 3 地址格式 ) 由于采用高密度编码,Thumb 指令没有 ARM 指令格式规则

23 Thumb 系统一个典型的嵌入式系统会在 ARM 核所在的芯片上集成一个小的高速的 32 位存储器, 把有速度要求的关键子程序 ( 如数字信号处理算法 ) 以 ARM 代码形式保存在这个存储器中大多数对速度没有要求的程序存储在片外 16 位 ROM 中

24 Thumb 编程模型 Thumb 指令集对低 (Lo)8 个通用寄存器 r0~r7 具有全部访问权限, 并扩展寄存器 r13~r15 的使用以作特殊用途其他寄存器 (r8~r12 及 CPSR) 只能作有限访问少数指令可以使用高寄存器 (Hi 寄存器,r8~r15) CPSR 的条件标志位由算术和逻辑操作设置并控制条件转移 r13: 用做堆栈指针 (SP) r14: 用做链接寄存器 (LR) r15: 用做程序计数器 PC

25 Thumb v.s ARM 状态寄存器 Thumb 状态 ARM 状态 R0 R0 R1 R1 R2 R2 R3 R4 R3 R4 低寄存器 R5 R5 R6 R6 R7 R7 R8 R9 R10 堆栈指针链接寄存器程序指针当前程序状态寄存器保护程序状态寄存器 SP LR PC CPSR SPSR R11 R12 SP(R13) LR(R14) PC(R15) CPSR SPSR 高寄存器

26 Thumb 转移指令 ARM 指令有一个大的 (24 位 ) 偏移域, 不可能在 16 位 Thumb 指令格式中表示因此,Thumb 指令集通过多种方法实现其子功能转移指令的典型用法包括 : 短距离条件转移指令可用于控制循环的退出 (Loop) 中等距离的无条件转移指令用于实现 goto 功能长距离子程序调用

27 Thumb 转移指令 1) (H=0) LR:=PC+(offset 左移 12 位 ) 2) (H=1) PC:=LR+(offset 左移 1 位 ) LR 为链接寄存器, 实现 4MB 的长距离转移 ARM : 转移指令 ARM 指令集用同一条指令处理所有这些情况, 但在前两种情况 ( 短 / 中等距离 ) 下浪费了 24 位偏移的很多位 Thumb 指令集对每种情况采用不同的指令模式, 因而更高效

28 Thumb 软中断指令 Thumb 软中断指令的行为与 ARM 等价指令完全相同进入异常的指令使微处理器进入 ARM 执行状态 Thumb 软中断指令将引起下列动作 : 将下一条 Thumb 指令的地址保存到 r14_svc; 将 CPSR 寄存器保存到 SPSR_svc; 微处理器关闭 IRQ, 将 Thumb 位清 0, 并通过修改 CPSR 的相关位进入监控模式 ; 强制将 PC 值置为地址 0x08 然后进入 ARM 指令 SWI 的处理程序正常的返回指令将恢复 Thumb 的执行状态

29 Thumb 数据处理指令 (1) Thumb 数据处理指令包括一组高度优化且相当复杂的指令, 范围涵盖编译器通常需要的大多数操作

30 Thumb 数据处理指令 (2) 使用低 8 个通用寄存器 (r0~r7) 的指令 :

31 Thumb 数据处理指令 (3) 使用低 8 个通用寄存器 (r0~r7) 的指令 :

32 Thumb 数据处理指令 (4) 使用高 8 个寄存器 (r8~r15) 的指令在有些情况下结合低 8 个寄存器使用所有对低 8 个寄存器操作的数据处理指令都更新条件码位 ( 等价的 ARM 指令位 S 置位 ) 对高 8 个寄存器操作的指令不改变条件码位 CMP 指令除外, 它只改变条件码指令中 1/2 Hi regs 表示至少有 1 个操作数是高 8 个寄存器 #imm{3,7,8} 分别表示 3 位 7 位和 8 位立即数域 #sh 表示 5 位移位数域

33 Thumb 单寄存器数据传送指令 (1) 这些指令是从 ARM 单寄存器传送指令中精心导出的子集, 并且与等价的 ARM 指令有严格相同的语义在所有的指令中, 对偏移量需要根据数据类型按比例调整例如,5 位偏移量的范围在字节 Load 和 Store 指令中是 32 字节, 在半字指令中 64 字节, 在字指令中是 128 字节

34 Thumb 单寄存器数据传送指令 (2)

35 Thumb 单寄存器数据传送指令 (3)

36 Thumb 多寄存器数据传送指令 (1) 指令的块拷贝形式使用 LDMIA 和 STMIA 寻址模式 Lo 寄存器 (r0~r7) 中的任何一个可以作为基址寄存器寄存器列表可以是这些寄存器的任意子集, 但不应包括基址寄存器堆栈使用 SP(r13) 作为基址寄存器堆栈的模式也固定为满栈递减寄存器列表除了可以是 8 个 Lo 寄存器外, 链接寄存器 LR(r14) 可出现在 PUSH 指令中,PC(r15) 可出现在 POP 指令中

37 多数据传送指令更新基址寄存器 ( 回顾 ) 可以使用! 使多数据传送指令基地址自动变址

38 Thumb 多寄存器数据传送指令 (2) POP : LDMFD PUSH: STMFD

39 Thumb 的实现对 3 级流水线 ARM 处理器的大部分逻辑作相对小的改动就可以实现 Thumb 指令集 (5 级流水线的实现要复杂些 ) 选择 ARM 或 Thumb 流选择高半字或低半字增加的最大逻辑是指令流水线中的 Thumb 指令解压缩逻辑, 这部分逻辑将 Thumb 指令翻译为对应的 ARM 指令

40 Thumb 指令映射 (1) Thumb 解压缩器逻辑将 16 位 Thumb 指令静态地转换为等价的 32 位 ARM 指令这包括 : 主操作码和次操作码的查表转换 3 位寄存器指示符 (specifier) 零扩展成 4 位寄存器指示符所需的其他域的映射例子 : Thumb:ADD Rd, #imm8 ARM: ADDS Rd, Rd, #imm8 指令解压缩逻辑的简单性对 Thumb 指令集的效率是非常重要的如果 Thumb 解压缩逻辑复杂速度低并且功耗大, 那么 Thumb 就没有什么价值了

41 Thumb 指令映射 (2) Thumb:ADD Rd, #imm8; ARM:ADDS Rd, Rd, #imm8 转移指令是唯一条件执行 T 指令, 其他 T 指令在转换时使用条件 always 是否修改 CPSR 的条件码在 T 操作码中隐含指定, 但 A 指令中要明确指定可通过重复寄存器指示符将 T 的 2 地址指令格式转换为 A 的 3 地址指令格式

42 Thumb 的应用 ( 回顾 ) Thumb 的特点 Thumb 代码所需空间为 ARM 代码的 70% Thumb 代码使用的指令数比 ARM 代码多 40% 用 32 位存储器,ARM 代码比 Thumb 代码快 40% 用 16 位存储器,Thumb 代码比 ARM 代码快 45% 使用 Thumb 代码, 外部存储器功耗比 ARM 代码少 30% 若性能最重要, 则系统使用 32 位存储器和运行 ARM 代码 ; 若成本及功耗更重要, 则最好选择 16 位存储器系统及 Thumb 代码若两者结合使用, 会在两方面取得最好的效果 Thumb 系统高端的 32 位 ARM 系统可以用 Thumb 代码实现特定的非关键程序, 以节省功耗或降低对存储器的需求低端的 16 位系统可以有小规模的 32 位片上 RAM 供运行 ARM 代码的关键程序使用, 所有非关键程序使用片外 Thumb 代码

43 ARM 体系结构的发展历程 Halfword and signed halfword / byte support System mode Thumb instruction set (v4t) v4 v5 v6 v7 MAC: 乘法累加 Improved interworking CLZ Saturated arithmetic DSP MAC instructions Extensions: Jazelle (5TEJ) Jazelle:8 位 Java 字节码 SIMD Instructions Multi-processing v6 Memory architecture Unaligned data support Extensions: Thumb-2 (6T2) TrustZone (6Z) Multicore (6K) Thumb only (6-M) Note that implementations of the same architecture can be different Cortex-A8 - architecture v7-a, with a 13-stage pipeline Thumb-2 Architecture Profiles 7-A - Applications 7-R - Realtime 7-M - Microcontroller TrustZone: 安全特性 Cortex: 计算密集型 -R:realtime,-M:Mobile Cortex-A9 - architecture v7-a, with an 8-stage pipeline ( 四个处理器 )

44 前四章考查范围教材第三版第一章 : ( 了解 ), 第二章 :2.1, 2.2,2.3 第三章 :3.1, 3.2, 3.3, 3.4, 3.5, 3.6,3.7 其中的 5(C55X 中断 ) 6 PIC16F 中断除外第四章 : , 4.6( 了解 ),4.7 任鹏举联系电话 : pengjuren@mail.xjtu.edu.cn

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<4D F736F F D20B5DAC8FDCBC4D5C2D7F7D2B5B4F0B0B82E646F63> 第三章 Q3 1 1. 省略了 I/O 操作的复杂逻辑, 易实现, 耗费低 ; 2. 可以利用丰富的内存寻址模式实现灵活的 I/O 操作 Q3 2 假设存储单元 ds1 处寄存器地址为 0x2000, 代码如下 #define ds1 0x2000 while ( *ds1 == 0 ) ; Q3 3 假设设备 (dev1) 中有两个寄存器 ds1 和 dd1,dev1 的地址为 0x1000,ds1