【文档说明】嵌入式微处理器-第2章-指令系统课件.ppt，共(73)页，446.012 KB，由小橙橙上传

转载请保留链接：https://www.ichengzhen.cn/view-92643.html

以下为本文档部分文字说明：

1第2章指令系统计算机体系结构的分类ARM处理器SHARC处理器2VonNeumann体系结构数据和指令都存放在存储器里。计算机从存储器取指令。CPU与存储器分离的是存储程序计算机。CPU寄存

器主要用于程序计数器PC3VonNeumann体系结构memoryCPUPCaddressdataIRADDr5,r1,r3200200ADDr5,r1,r34Harvard体系结构CPUPCdatamemoryprogrammemory

addressdataaddressdata5vonNeumann与Harvard体系结构Harvard不能够使用自修改编码Harvard可以同时进行两个存取工作。多数DSP使用Harvard体系结构。更大的存储带宽。带宽的可预见性更

强6RISC与CISCComplexinstructionsetcomputer(CISC):复杂指令集计算机多种类型的指令变长型指令程序的各条指令是按顺序串行执行的，每条指令中的各个操作也是按顺序串行执

行的。优点是控制简单，但计算器各部分的利用率不高，执行速度慢。Reducedinstructionsetcomputer(RISC):精简指令集计算机种类比较少管道化的指令寻址方式也比复杂指令集少数据管道是在同一个应用中对象之间快速传送数据的小型统一部件，比信息（message）传输

的方式更块7指令集的特点固定长度与可变长度寻址模式操作数的个数操作数的类型成功的体系结构应用广泛。时钟速度可变；不同的总线宽度；不同的缓存规模8ARM版本ARM结构被扩展成为多个版本。本课将集中在ARM7ARM7是v

onNeumann结构的ARM9是Harvard结构的。9汇编语言汇编语言指令与翻译成的机器语言指令之间基本是一一对应的关系基本特点：一个指令一行；给内存单元提供名字的标记LABEL,由第一列开始。指令通常在随后的列开始。注释以分号开头，分号右边的内容将被汇

编程序忽略10ARM汇编语言相当标准的汇编语言：LDRr0,[r8];acommentlabelADDr4,r0,r111ARM汇编语言例子label1ADRr4,cLDRr0,[r4];acommentADRr4,dLDRr1,[

r4]SUBr0,r0,r1;comment12r0r1r2r3r4r5r6r7r8r9r10r11r12r13r14r15(PC)CPSR310NZCVARM编程器模型16个通用寄存器，包括PC一个状态寄存器Current.Pr

ogramStatusRegister13字节的排列顺序ARM允许32位长地址，但每个地址访问是一个字节而不是一个字。byte3byte2byte1byte0byte0byte1byte2byte3位31位0低序高序word4word

0word4word0位31位014ARM数据类型32位字长分成四个8位的字节ARM地址可是32位长。地址是以字节来引用的。可在加电时设置高序或低序。15ARM状态位第个算术、逻辑或位移运算都会调整CPSR位：N(negat

ive),Z(zero),C(carry),V(overflow).例如：-1=0xffffffff1==0x1-1+1=0:NZCV=0110.0–1=-1:0x0–0x1=0xffffffffNZCV=1000231-1+1=-2

31:0x80000000+0fffffff0x7fffffff+0x1=0x80000000NZCV=1001.16ARM数据指令基本形式：ADDr0,r1,r2把r1+r2的值存储在r0中立即操作数：ADDr0,r1,#2将r1

+2的值存储在r0中。17ARM数据指令ADD,ADC:add(w.carry)SUB,SBC:subtract(w.carry)RSB,RSC:reversesubtract(w.carry)MUL,MLA:multiply(andaccumulate)AND,O

RR,EORBIC:bitclearLSL,LSR:logicalshiftleft/rightASL,ASR:arithmeticshiftleft/rightROR:rotaterightRRX:ro

taterightextendedwithC18数据操作的不同方法逻辑位移:补“0”算术位移：在右移时以符号位来充填。RRX执行的是33位的循环，包括来自在符号位上的CPSR的C位。19ARM比较指令CMP:比较CMN:负数比较TST:按位测试（与）

TSTR0,#0X0f；判断R0的低4位是否为0TEQ:按位求反测试(异或)TEQR0,R1;比R0，R1是否相等这些操作的结果只是去更新CPSR中的NZCV位。20ARM数据传送指令MOV,MVN:数据非传送MOVr0,r1;将r1的内容放入r0MVNR

1,#0xFF;R=0xFFFFF0021ARM存储器访问指令LDR,LDRH,LDRB：load(half-word,byte)STR,STRH,STRB:store(half-word,byte)寻址模式：寄存器间接寻址：LDRr0,[r1]有第二个寄存器:LDR

r0,[r1,-r2]带常数的：LDRr0,[r1,#4]存储器指令不直接访问主存储器地址。通常由PC计算后给出一个地址。ADR伪操作产生一个要求计算地址的指令：ADRr1,FOO22例：C的赋值语句C:x=(a+b)

-c;汇编语言：ADRr4,a;getaddressforaLDRr0,[r4];getvalueofaADRr4,b;getaddressforb,reusingr4LDRr1,[r4];getvalueofbADDr3,r0,r1;computea+bADRr4,c;getaddre

ssforcLDRr2,[r4];getvalueofcSUBr3,r3,r2;completecomputationofxADRr4,x;getaddressforxSTRr3[r4];storevalueofx23例：C的赋值语句C:y=a*(b+c);汇编语言：ADRr4,b;geta

ddressforbLDRr0,[r4];getvalueofbADRr4,c;getaddressforcLDRr1,[r4];getvalueofcADDr2,r0,r1;computepartialresultADRr4,a;getaddressforaLDRr0,[r4];ge

tvalueofaMULr2,r2,r0;computefinalvalueforyADRr4,y;getaddressforySTRr2,[r4];storey24例：C的赋值语句C:z=(a<<2)|(b&15);汇编语言：(registerreuse)ADRr4,a;getadd

ressforaLDRr0,[r4];getvalueofaMOVr0,r0,LSL2;performshiftADRr4,b;getaddressforbLDRr1,[r4];getvalueofbANDr1,r1,#15

;performANDORRr1,r0,r1;performORADRr4,z;getaddressforzSTRr1,[r4];storevalueforz25多种寻址方式寄存器寻址MOVR1,R2;R2->R1SUBR0,R1,R2;R1-R2->R0立即寻址SUBSR0,R0,#1;R0

–1->R0MOVR0,#0xff00;0xff00->R0寄存器间接寻址LDRR1,[R2];将R2中的数值作为地址，取出此地址中的数据保存在R1中。SWPR1,R1,[R2];将如中的数值作为地址，取

出此地址中的数值与R1中的值交换26多种寻址方式基址加偏移量寻址（基址寻址）LDRr0,[r1,#16]将存储在地址r1+16单元的值装入r0自动变址寻址：LDRr0,[r1,#16]!将16与r1的值相加，然后把这个值作为地址。后

变址寻址LDRr0,[r1],#16将r1给定地址的存储单元中的值装入r0，然后把r1的值加16并将新值赋给r1.27ARM控制流B指令（Branchoperation）B#100在PC的值上加400任何分支指令都可有条件地执

行。是ARM中改变控制流的基本机制。分支的目的地址称为分支目标。分支是与程序计数器相关的，分支指明了从当前程序计数器到分支目标的偏移量，这个偏移量的单位是字。由于ARM是对字节定址的，所以要把偏移量乘4。2829例：if语句在ARM中的实现C:if(a>b){x=5;y

=c+d;}elsex=c-d;汇编：;computeandtestconditionADRr4,a;getaddressforaLDRr0,[r4];getvalueofaADRr4,b;getaddressforbLDRr1,[r4];getvalueforbCMPr0,r1;comp

area<bBGEfblock;ifa>=b,branchtofalseblock;trueblockMOVr0,#5;generatevalueforxADRr4,x;getaddressforxSTRr0,[r4];storexADRr4,c;getaddress

forc30If语句LDRr0,[r4];getvalueofcADRr4,d;getaddressfordLDRr1,[r4];getvalueofdADDr0,r0,r1;computeyADRr4,y;getaddressforySTRr0,[r4];sto

reyBafter;brancharoundfalseblock;falseblockfblockADRr4,c;getaddressforcLDRr0,[r4];getvalueofcADRr4,d;getaddressfordLDRr1,[r4];getvaluefordSUB

r0,r0,r1;computec-dADRr4,x;getaddressforxSTRr0,[r4];storevalueofxafter...31例：条件执行使用判断来控制执行那条指令：;trueblock,条件代码由CMP更新;non

eedfor“BGEfblock”and“Bafter”MOVLTr0,#5;generatevalueforxADRLTr4,x;getaddressforxSTRLTr0,[r4];storexADRLTr4,

c;getaddressforcLDRLTr0,[r4];getvalueofcADRLTr4,d;getaddressfordLDRLTr1,[r4];getvalueofdADDLTr0,r0,r1;compute

yADRLTr4,y;getaddressforySTRLTr0,[r4];storey32例：条件执行;falseblockADRGEr4,c;getaddressforcLDRGEr0,[r4];getv

alueofcADRGEr4,d;getaddressfordLDRGEr1,[r4];getvaluefordSUBGEr0,r0,r1;computea-bADRGEr4,x;getaddressforxSTRGEr0,[r4];storevalueofx

条件执行相对于较少的条件是最好的。33例:用于多分支选择的switch语句C:switch(test){case0:…break;case1:…break;…}汇编：ADRr2,test;getaddressfortestLDRr0,[r2];

loadvaluefortestADRr1,switchtab;loadaddressforswitchtableLDRr15,[r1,r0,LSL#2];indexswitchtableswitch

tabDCDcase0DCDcase1...LDR:把r0移2位把偏移量转换成为字节地址把存储器[r1+r0]的值装入PCr15中34例：FIR滤波器C(FIR)滤波器：for(i=0,f=0;i<N;i++)f=f+c[i]*x[i]

;/*x[i]:周期性的采样*/汇编语言;循环初始代码MOVr0,#0;user0forIMOVr8,#0;useseparateindexforarraysADRr2,N;getaddressfor

NLDRr1,[r2];getvalueofNMOVr2,#0;user2forfADRr3,c;loadr3withbaseofcADRr5,x;loadr5withbaseofx35例：FIR滤波器;循环代码loopLDRr4,[r3,r8];getc[i]LDRr6,[r5,r8];ge

tx[i]MULr4,r4,r6;computec[i]*x[i]ADDr2,r2,r4;addintorunningsumADDr8,r8,#4;add1wordoffsettoarrayindexADDr0,r0,#1

;add1toiCMPr0,r1;exit?BLTloop;ifi<N,continue36ARM子程序的链接分支和链接指令：BLfoo把当前的PC值存入r14.从一个子程序返回：MOVr15,r1437嵌套

的子程序调用嵌套/递归C:voidf1(inta){f2(a);}汇编语言：f1LDRr0,[r13];loadargintor0fromstack;r13isstackpointer;callf2()STRr13!,[r14];st

oref1’sreturnadrsSTRr13!,[r0];storeargtof2onstackBLf2;branchandlinktof2;returnfromf1()SUBr13,#4;popf2’sargoffstackLDRr13!,r15;r

estoreregandreturn38SHARC编程模型SHARC汇编语言SHARC存储器的组织SHARC数据操作SHARC控制流程SHARC处理器39SHARC编程模型寄存器文件：R0-R15(对浮点运算的名称为F0-F15)

所有的这些寄存器都是40位长支持单精度浮点格式、32位定点格式和提高精度的40位扩展格式状态寄存器ASTAT：算术状态。（记录ALU，移位器和乘法器状态）STKY:sticky.（是状态寄存器中某些们的

粘性值，需要指令才能清除）MODE1:mode1.控制定点运算的饱和算术操作和浮点运算的舍入模式循环寄存器。数据地址生成寄存器。中断寄存器。40SHARC汇编语言算术符号由分号结束，注释由感叹号开始：R

1=DM(M0,I0),R2=PM(M8,I8);!commentlabel:R3=R1+R2;数据存储器的存取程序存储器的存取41SHARC数据类型32位IEEE单精度浮点。40位IEEE扩展精度浮点。32位整型。存储器内部是用32位地址的32位字长进行组织。一条指令为48位。ALU

支持饱和算术运算。(ALUSAT位为MODE1)42SHARC结构修改的哈佛结构程序存储存储器可以用来存放一些数据。寄存器文件联接到：乘法器移位器ALU4344乘法器定点运算可累计到MR（modifyreg

ister）寄存器或被写入寄存器文件。定点的结果为80位。浮点的结果总是送到寄存器文件中。状态位：负、下溢、上溢、无效、定点、浮点下溢、浮点无效。45ALU/移位器状态标记ALU:零AZ、溢出AV、负

AN、定点进位AC、输入符号、浮点无效AI、最新运行为浮点运算、比较累加寄存器、浮点下溢/上溢、定点溢出、浮点无效等。移位器零SZ、溢出SV、符号SS46标记操作所有的ALU操作都要设置ASTAT中的AZ(zero),AN(negative),AV(overfl

ow),AC(fixed-pointcarry),AI(floating-pointinvalid)位。STKY是算术逻辑单元中的某些位的粘性版本。47例：数据操作定点-1+1=0:AZ=1,AU=0（浮点下溢）,AN=0,AV

=0,AC=1,AI=0.STKY的AOS位(fixedpointunderflow)未设置。定点-2*3:MN=1,MV=0,MU=1,MI=0.4个STKY位都没有设置：MOS(mult.fixed-poin

toverflow),MVS(floating-pointoverflow),MUS(mult.floatingpointunderflow),MIS(mult.floating-pointinvalidoperation)0x7fffffff左移3位:

SZ=0,SV=1,SS=0.48乘法计算可进行某些并行的计算：加减二重计算；定点乘/累加与加、减、计算平均值；浮点乘与ALU操作；乘与加减二重计算。乘法器的操作数从R0-R7，ALU的操作数从R8-R15.49SHARC存取存取结构：无直接存储器

操作。两个数据地址生成器(DAGs)：程序存储器数据存储器必须设置DAG寄存器来控制存取操作。50DAG1寄存器I0I1I2I3I4I5I6I7M0M1M2M3M4M5M6M7L0L1L2L3L4L5L6L7B0B1B2B3B4B5B6B7每个DAG有四种寄存器：Index(I),Modi

fy(M),Base(B)Length(L)51数据地址生成器DAG提供索引,余数、位反转变址寻址MODE1的位决定是主寄存器还是备用寄存器工作。52基本的寻址方式立即值：R0=DM(0x200

00000);直接装入：R0=DM(_a);!Loadscontentsof_a！_a是变量a的地址直接存储：DM(_a)=R0;!StoresR0at_a53具有更新的后修改模式I寄存器指定基址。M寄存器：直接保存变址数。R0=DM(I3,M3)!LoadDM(I2,1)=R1!S

toreI寄存器被变址数更新基址加偏移量：R0=DM(M1,I0)!LoadfromM1+I0循环缓冲：I指针和存储。M为前移地址的增量值。L循环缓冲器的数量。M循环缓冲器的基址5455程序存储器中的数据数据可以被存储在程序存储器中，每个

周期可读两次：F0=DM(M0,I0),F1=PM(M8,I9);编译器可以使程序员控制存储到那个存储器。56例：C赋值C:x=(a+b)-c;汇编：R0=DM(_a);!LoadaR1=DM(

_b);!LoadbR3=R0+R1;R2=DM(_c);!LoadcR3=R3-R2;DM(_x)=R3;!Storeresultinx57例：C赋值C:y=a*(b+c);汇编：R1=DM(_b);!LoadbR2=DM(_c);!Loa

dcR2=R1+R2;R0=DM(_a);!LoadaR2=R2*R0;DM(_y)=R2;!Storeresultiny58例：C赋值可用指针来缩短代码的长度：!Loadb,cR2=DM(I1,M5),R1

=PM(I8,M13);R0=R2+R1,R12=DM(I0,M5);R6=R12*R0(SSI);DM(I0,M5)=R8;!Storeiny59例：C赋值C:z=(a<<2)|(b&15);汇编：R0=DM(_a);!LoadaR0=LSHIFTR0by#2;!Lefts

hiftR1=DM(_b);R3=#15;!LoadimmediateR1=R1ANDR3;R0=R1ORR0;DM(_z)=R0;60SHARC程序排序器特点：指令缓存；32字的缓存，3总线PC堆栈；PC与栈一起存储返回地址和循环顶的地址状态寄存器；PC栈的栈满，空标志；状态栈和循环栈

的溢出，空标志；循环逻辑；地址，计数，控制。数据地址产生器。61条件指令指令是有条件地执行的。条例来自：算术状态(ASTAT)；模式控制1(MODE1);标志输入；循环计算器62SHARC控制流改变控制流：JUMPfoo三种

寻址方式：直接寻址：直接给出一个24位的地址，并用这个地址去设置PC。IFAVJUMP(PC,0x00A4)(LA);间接寻址：由DAG2给出地址；IFTFJUMP(M8,I8),！TF位测试标记相对PC寻址：立即数加PC得到一个新的地址。IFNEJUMP(PC,0x20),63

分支类型：CALL,JUMP,RTS,RTI.（returnfromsubroutine|interrupt）可为条件执行。可为直接寻址，间接寻址，相对PC寻址。可以为延时和非延时。JUMP产生自动循环中止。64例：C中的if语句C:if(a>b){x=5;

y=c+d;}elsex=c-d;汇编：!TestR0=DM(_a);R1=DM(_b);COMP(R1,R0);!CompareIFGEJUMPfblock;65C中的if语句!Trueblocktbl

ock:R0=5;!GetvalueforxDM(_x)=R0;R0=DM(_c);R1=DM(_d);R1=R0+R1;DM(_y)=R1;JUMPother;!Skipfalseblock!Falseblockfblock:R0=DM(_c);R1

=DM(_d);R1=R0-R1;DM(_x)=R1;other:!Codeafterif66特别的if语句的实现C:if(a>b)y=c-d;elsey=c+d;用并行机制来提高速度---计算两种情况，然后选一个保存。67特别的if语句的实现!Loa

dvaluesR1=DM(_a);R8=DM(_b);R2=DM(_c);R4=DM(_d);!ComputebothsumanddifferenceR12=r2+r4,r0=r2-r4;!Choosewhich

onetosavecomp(r8,r1);ifger0=r12;dm(_y)=r0!Writetoy68DOUNTIL循环DOUNTIL指令提供有效的循环：LCNTR=30,DOlabelUNTILLCE;R0=DM(I0,M0),

F2=PM(I8,M8);R1=R0-R15;label:F4=F2+F3;循环长度循环中的最后一条指令终止条件69例：FIR滤波器C:for(i=0,f=0;i<N;i++)f=f+c[i]*x[i]

;!setupI0=_a;I8=_b;!a[0](DAG1),b[0](DAG2)M0=1;M8=1!Setupincrements!LoopbodyLCNTR=N,DOloopendUNTILLCE;!Usepostincreme

ntmodeR1=DM(I0,M0),R2=PM(I8,M8);R8=R1*R2;loopend:R12=R12+R8;70优化FIR滤波器代码I4=_a;I12=_b;R4=R4xorR4,R1=DM(I4,M6),R2=PM(I12,M14);MR0F=R4,MODIFY(I7

,M7);!StartloopLCNTR=20,DO(PC,loop)UNTILLCE;loop:MR0F=MR0F+R2*R1(SSI),R1=DM(I4,M6),R2=PM(I12,M14);!LoopcleanupR0=MR0F;71SHARC子程序调用作用CALL指令：CALLfoo

;绝对地址寻址，间接寻址，相对PC寻址模式。使用RTS返回指令。72PC堆栈PC栈：30区X24条指令。子程序的返回，中断业务程序，循环保存在PC栈内。73例：C函数C:voidf1(inta){

f2(a);}Assembler:f1:R0=DM(I1,-1);!LoadargintoR0DM(I1,M1)=R0;!Pushf2’sargCALLf2;MODIFY(I1,-1);!PopelementRTS;