ARM指令集 Author : Steve Furber Advisor: Mei-Ling Chiang Speaker: 徐翔宇

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1 ARM指令集 Author : Steve Furber Advisor: Mei-Ling Chiang Speaker: 徐翔宇
Date: 2007/10/23

2 Overview 基本概念介紹 Exceptions ARM 指令集 Thumb 指令集

3 基本概念介紹 Architectural inheritance ARM 可見的暫存器 記憶體組織 ARM 操作模式

4 Architectural inheritance
ARM 體系結構採用 Berkeley RISC 設計中的特徵 (1) Load / Store 架構 (2) 固定的32位元指令 (3) 3位址 (3-address) 指令格式 簡單性 採用RISC方法基本原則

5 ARM 可見的暫存器(1/2)

6 ARM 可見的暫存器(2/2) CPSR:當前指令暫存器 T: Thumb指令集 I,F:中斷致能
條件碼旗標(N:負數 Z:零 C:進位 V:溢位)

7 記憶體組織

8 ARM 操作模式

9 Exceptions Exceptions Exception的進入 Exception的返回 Exception priorities

10 Exceptions ARM Exception 可以分為3類 指令執行引起的直接異常 ex. 軟體中斷，未定義指令，預取指中止
指令執行引起的間接異常 ex. 資料中止(Load和Store資料存時記憶體發生故障) 外部產生的與指令流無關的異常 ex. 重置，IRQ，FIQ

11 Exception的進入(1/2) 處理器將執行下列動作 進入與特定異常相應的操作模式
將引起異常指令的下一到指令的位址保存到新模式的 r14 中 將CPSR的原值保存到新模式的SPSR中 藉由設置CPSR的第7位元來禁止IRQ，若為快速中斷則設置第６位元來禁止快速中斷 將PC強制賦值

12 Exception的進入(2/2)

13 Exception的返回 恢復異常發生時的用戶狀態 所有修改過的用戶暫存器必須從處理程式的堆疊中恢復 CPSR必須從相應的SPSR中恢復
PC必須變回到在用戶指令流中相應的指令位址

14 Exception priorities ARM 優先權如下 重置 資料異常中止 FIQ IRQ 預取指異常中止 SWI，未定義指令

15 ARM 指令集 資料處理指令 資料傳送指令 控制流程指令 Coprocessor指令 ARM 體系結構總結

16 資料處理指令(1/5) ARM資料處理指令原則 所有運算元是32位元寬 運算結果為32位元寬放在一個暫存器中
每一個運算元暫存器和結果暫存器都在指令中獨立地指定

17 資料處理指令(2/5)

18 資料處理指令(3/5)

19 資料處理指令(4/5)

20 資料處理指令(5/5) 算數操作 ex. ADD r0,r1,r2 ; r0=r1 + r2 Bit-wise 邏輯操作
ex. AND r0,r1,r ; r0=r1 and r2 暫存器傳送操作 ex. MOV r0,r ; r0=r2 Comparison 操作 ex. CMP r1,r ; 根據r1-r2的結果設置cc 專門資料處理指令(乘法) ex. MLA r4,r3,r2,r1 ; r4=(r3 x r2 + r1)

21 資料傳送指令(1/10) 單暫存器 Load 和 Store 指令 Base plus offset 定址 多暫存器資料傳送

22 資料傳送指令(2/10)

23 資料傳送指令(3/10)

24 資料傳送指令(4/10) LDRSH r0,[r1],# ;取符號半字元

25 資料傳送指令(5/10)

26 資料傳送指令(6/10) 單暫存器 Load 和 Store 指令 ex. LDR r0,[r1] ; r0=men32[r1]
Base plus offset 定址 ex. LDR r0,[r1,#4] ; r0=men32[r1+4] 多暫存器資料傳送 ex. LDMIA r1,{r0,r2,r5} ; r0=men32[r1] ; r2=men32[r1+4] ; r5=men32[r1+8]

27 資料傳送指令(7/10)

28 資料傳送指令(8/10) MRS r0,CPSR ; 將CPSR傳送到r0

29 資料傳送指令(9/10)

30 資料傳送指令(10/10) <field>表示下列情況之一 c: 控制欄位，PSR[7：0] x: 擴展欄位，PSR[15：8]
s: 狀態欄位，PSR[23：16] f: 旗標欄位，PSR[31：24] ex. MSR CPRS_f,r ; 將r0傳送回CPSR且設置旗標

31 控制流程指令(1/4)

32 控制流程指令(2/4) 分歧指令 ex. B LABEL … LABEL … 條件分歧 MOV r0,#0 ; 計數器初始化 LOOP …
ADD r0,r0,#1 ; 迴圈計數器加1 CMP r0,# ; 與迴圈的限制比較 BNE LOOP ; 如果不相等,則返回 … ; 反則回圈中止

33 控制流程指令(3/4)

34 控制流程指令(4/4) BX,BLX指令: 將處理器切換到執行Thumb指令或返回到ARM和 Thumb呼叫程式的機制

35 Coprocessor指令(1/4) 增加Coprocessor來擴展指令集的機制
“控制流程”還是由ARM負責

36 Coprocessor指令(2/4)

37 Coprocessor指令(3/4) “LDC”從記憶體讀取資料裝入Coprocessor暫存器
“STC” Coprocessor暫存器的資料儲存到記憶體

38 Coprocessor指令(4/4) “MRC” Coprocessor傳送到ARM暫存器
“MCR” ARM暫存器送到Coprocessor

39 ARM 體系結構總結

40 Thumb 指令集 Thumb 模式 Thumb programmer’s model Thumb 分歧指令 Thumb 軟體中斷指令

41 Thumb 模式 進入Thumb模式： 退出Thumb模式： 執行Thumb BX指令返回到ARM指令流
執行BX指令將處理器切換到執行Thumb指令 退出Thumb模式： 執行Thumb BX指令返回到ARM指令流

42 Thumb programmer’s model(1/2)

43 Thumb programmer’s model(2/2)
Thumb-ARM 相似處 Load-Store結構 支援8，16，32位元 32位元無分段記體 Thumb-ARM 差異處 大多數Thumb指令是無條件執行的 許多Thumb資料處理指令採用2位址格式(目的暫存器跟一個來源暫存器相同) 採用高密度編碼，Thumb指令格是沒有ARM指令格式規則 Thumb exceptions 所有異常發生都回到ARM執行狀態

44 Thumb 分歧指令

45 Thumb 軟體中斷指令 將下一條Thumb指令的位址保存到 r14_svc 將CPSR暫存器保存到SPSR_svc
微處理器關閉IRQ，將Thumb位清除並藉由修改CPSR的相關位元進入管理者模式 強制將PC值設置為位址0x08

46 Thumb 資料處理指令(1/2) ARM 指令集支援單條指令中完成一個”運算元的位移”及一個”ALU操作”
Thumb 指令集將”位移操作”和”ALU操作”分離為不同指令

47 Thumb 資料處理指令(2/2)

48 Thumb單(多)暫存器資料傳送指令(1/2)

49 Thumb單(多)暫存器資料傳送指令(2/2)

50 Thank You !!