Microelettronica. Architettura del processore ARM. Stefano Salvatori. Università degli Studi Roma Tre. Microelettronica

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1 Microelettronica Architettura del processore ARM Stefano Salvatori Microelettronica

2 Sommario Architettura ARM Differenze con i RISC Programmer s model Sistemi di sviluppo Microelettronica Stefano Salvatori 2

3 Architettura ARM Elevato numero di di registi registri interni interni registri dedicati al al modo modo di di funzionamento Architettura LOAD/STORE operazioni sui sui dati dati accedono solo solo al al contenuto di di registri Istruzioni a lunghezza fissa (3-address) su su bit bit la la decodifica è semplificata uniformità dei dei campi campi Modi di di indirizzamento semplificati gli gli indirizzi di di load load e store store sono sono determinati dal dal contenuto di di registri e di di campi campi nell istruzione stessa stessa Microelettronica Stefano Salvatori 3

4 Architettura ARM Novità introdotte per ARM: Controllo sia di ALU che sia di ALU che shifter ogni ogni istruzione può può utilizzare ALU ALU e shifter Auto-decrement e auto-increment modi modi di di indirizzamento automaticamente aggiornati loop loop ottimizzati Esecuzione condizionata ogni ogni istruzione è eseguita in in base base a una una condizione massimizzato il il throughput LOAD/STORE multipli massimizzato il il throughput Microelettronica Stefano Salvatori 4

5 Programmer's model r0 r1 r2 r3 r4 r5 r6 r7 r8 r9 r10 r11 r12 r13 r14 r15 (PC) r8_fiq r9_fiq r10_fiq r11_fiq r12_fiq r13_fiq r14_fiq r13_svc r14_svc r13_abt r14_abt usable in user mode system modes only r13_irq r14_irq r13_und r14_und CPSR SPSR_fiq SPSR_svc SPSR_abt SPSR_irq SPSR_und user mode fiq mode svc mode abort mode irq mode undefined mode Microelettronica Stefano Salvatori 5

6 Program Status Register Microelettronica Stefano Salvatori 6

7 Memory Organization Lo stato del processore è determinato oltre che dai registri, anche dalla memoria. L ARM indirizza 2 32 byte l organizzazione può essere: byte (8 bit) half-word (16 bit) word (32 bit) bit 31 bit L allineamento è su gruppi di byte: word 4 byte (A00 = 0 e A01 = 0) half-word : 2 byte (A00 = 0, iniziando su indirizzi pari di byte) word16 14 half-word14 10 word8 6 byte half-word half-word12 byte3 byte2 byte1 byte byte address Microelettronica Stefano Salvatori 7

8 Architettura load & store Come i RISC, le istruzioni di processamento nell ARM lavorano solo su registri; Le uniche operazioni in memoria sono: copia del contenuto di una locazione in un registro (load); copia del contenuto di un registro in una locazione di memoria (store) Le categorie di istruzioni per l ARM sono: Data processing (solo su registri) Data transfer memoria -> registro ; registro -> memoria scambio : registo <-> memoria Control flow branch branch with link (subroutine) trapping (supervisor) tip. chiamata per input/output Microelettronica Stefano Salvatori 8

9 Modo supervisore L ARM consente di lavorare in modalità protetta di supervisore. In questo modo lo user non ha i privilegi del supervisore: si previene che il codice dello user compia operazioni illegali Le funzioni di sistema sono accessibili allo user con chiamate specifiche a supervisore (p.es accesso a periferiche hardware) A livello user, il programmatore lavora con i dati del proprio programma, mentre chiede al sistema operativo il trattamento dei dati verso l esterno del programma stesso. Microelettronica Stefano Salvatori 9

10 Tipologia del set delle istruzioni Load/store 3-address: 2 operandi + risultato Esecuzione condizionata (ogni istruzione) Load/store su registri multipli ALU+shift per la singola istruzione in ciclo di clock open instruction set : nuove istruzioni, nuovi registri (es. coprocessore) Set compresso a 16 bit in modothumb Microelettronica Stefano Salvatori 10

11 I/O ed eccezioni Memory mapped I/O Periferica: IRQ o FIQ Eccezioni interrupt trap supervisor call Manipolazione PC r14_exc ; CPSR SPSR_exc modo: exc PC 00..1C 16, dipendente dall eccezione gestione ritorno: PC r14_exc ; CPSR SPSR_exc Microelettronica Stefano Salvatori 11

12 Modi di funzionamento USR FIQ IRQ SVC ABT UND SYS USER esecuzione normale del programma FIQ trasferimenti ad elevata velocità IRQ gestione interrupt (general-purpose) Supervisor modo protettoper sistema operativo Abort implementare memoria virtuale e/o protezione Undefined emulazione software di coprocessori hardware System eseguire task privilegiati del sistema operativo Microelettronica Stefano Salvatori 12

13 Registri di uso generale e PC: mod. ARM priviliged modes exception modes ( 31+6 )x32-bit Microelettronica Stefano Salvatori 13

14 Registri di uso generale e PC: mod. Thumb priviliged modes exception modes ( 21+6 )x16-bit Microelettronica Stefano Salvatori 14

15 Relazione tra registri in ARM e in Thumb Microelettronica Stefano Salvatori 15

16 Sistemi di sviluppo ARM o terze parti hanno sviluppato diversi applicativi utili al lavoro di progettazione su ARM Poiché ARM trova largo impiego in sistemi embedded, spesso ci si riferisce a a software di tipo crossdevelpment: il sistema di sviluppo gira su architetture differenti da quelle stesse del sistema embedded a cui è destinato il codice finale PC in ambiente Windows workstation in ambiente LINUX Microelettronica Stefano Salvatori 16

17 Cross-development toolkit La struttura di un tale cross-development tool-chain è del tipo: Microelettronica Stefano Salvatori 17

18 Cross-development toolkit File sorgente in C o assembly sono compilate in: ARM Object Format aof C source assembler.aof Microelettronica Stefano Salvatori 18

19 Il compilatore C: Cross-development toolkit Conforme allo standard ANSI per C ha il supporto di librerie standard può produrre codice assembly ottimizzato (anche Thumb) C source C compiler C libraries.aof asm source assembler Microelettronica Stefano Salvatori 19

20 Cross-development toolkit ARM assembler produce codice oggetto che può essere legato a quanto il compilatore C produce assembler il codice sorgente assembly è prossimo a quello macchina dell ARM con istruzioni tradotte principalmente in singole istruzioni ARM (o Thumb) Microelettronica Stefano Salvatori 20

21 Il programma eseguibile è creato dal linker partendo dai file oggetto: Cross-development toolkit ARM Image Format aif riferimenti simbolici tra file oggetto estrazione di file oggetto da routine di libreria linker.aof object libraries incluse tabelle di debug (anche di tipo simbolico ->si osserva lo stato di variabili anziché registri).aif debug genera file oggetto di libreria per futuri programmi Microelettronica Stefano Salvatori 21

22 Cross-development toolkit il file immagine può anche contenere le tabelle per il debug richieste da: ARM Symbolic Debugger, ARMsd il sistema deve avere l interfaccia (seriale, JTAG) utile al debug linker.aif debug l eseguibile è caricato nell hw breakpoints ARMsd watchpoints Microelettronica Stefano Salvatori 22

23 Cross-development toolkit Il debugger ARMsd è in grado di caricare, eseguire e fare il debug di programmi su hardware o su software di simulazione: ARM development board ARM emulator instruction-accurate cycle-accurate timing-accurate system model linker.aif ARMsd debug ARMulator development board Microelettronica Stefano Salvatori 23

24 Riferimenti S. Furber, ARM, system-on-chip architecture, 2 nd ed., cap. 2 Storia dell ARM: Caratteristiche dell ARM: ARM7TDMI-S, Technical Reference Manual, rev. r4p3, 2001, ARM, Architecture Reference Manual, D. Seal ed., Addison-Wesley, 2001 Microelettronica Stefano Salvatori 24