第三章Blackfin的寻址方式及指令系统(电子科技大学).

BlackfinDSP的寻址方式及指令系统本章参考书：Blackfin®ProcessorProgrammingReference，内核结构（知识回顾）DSP技术3two16-bitmultiplierstwo40-bitaccumulatorstwo40-bitarithmeticlogicunits(ALUs)four8-bitvideoALUsone40-bitshiftereight32-bitregistersor16independent16-bitregisters存储器结构（知识回顾）所有资源，如内部存储器、外部存储器、I/O控制寄存器都统一用32位地址映射到4GB空间L1存储器由内核直接访问，性能最高外部存储器通过ExternalBusInterfaceUnit(EBIU)访问DMA可以提供高带宽的数据搬移。它可在内部存储器和外部存储器之间提供代码及数据的块传输DSP技术4内部存储器：每个Blackfin处理器包含3个块的片内存储器，内核对这些存储器可以进行高速访问L1指令存储器，由SRAM和cache组成。该存储器可以被处理器全速访问。L1数据存储器，由SRAM和(或)cache组成。该存储器可以被处理器全速访问。L1高速暂存RAM，该存储器可与L1存储器以相同的速度访问，但它只能用作数据SRAM，而不能配置成cache。L2存储器，容量比L1大，访问性能比L1稍低，作为多核之间的共享内存，可以存放数据和指令，但不能用作cacheDSP技术5外部存储器：通过外部总线扩展器ExternalBusInterfaceUnit(EBIU)进行访问。它是一个16位总线接口，可以与多种类型的存储器进行无缝连接，如SDRAM、flashmemory、EPROM、ROM、SRAM、memory-mappedI/O设备。I/O内存空间：Blackfin没有定义独立的I/O空间，所有I/O设备的控制寄存器都通过32位地址映射到统一的4GB地址空间。DSP技术6RegisterFiles（知识回顾）处理器的运算单元定义有3个寄存器组——DataRegisterFile，PointerRegisterFile，TheDAGregisters数据寄存器：用于接收从数据总线输入的操作数以及保存运算单元的运算结果指针寄存器：存放地址指针地址发生寄存器：这是一组专门的寄存器，用于管理在数字信号处理运算过程中的循环缓冲器，实现地址产生的零开销DSP技术7地址算术单元寄存器组DSP技术8数据运算单元寄存器组：R0～R7操作举例32位访问：R2=R1+R2;16位访问：R2.L=R1.H*R0.L在寄存器组与L1数据存储器之间连接有3组32位的独立数据总线，包括2个Load，和1个StoreDSP技术9累加器寄存器：A0～A1结构16位：An.L,An.H8位扩展位：An.X32位：An.W40位：AnDSP技术10操作举例A0=A1;/*40-bitmove*/A1.W=R7;/*32-bitmove*/A0.H=R5.H;/*16-bitmove*/R6.H=A0.X;/*read8-bitvalueandsignextendto16bits*/DSP技术11算术逻辑单元ALU2个ALUs实现定点数据的算术及逻辑运算。ALU定点指令对16-,32-,and40-bit的操作数进行运算，得到16-,32-,or40-bit的定点输出。ALU指令包括：寄存器加减立即数加减乘法器结果加减逻辑运算：AND,OR,NOT,XOR,bitwiseXOR,Negate函数运算:ABS,MAX,MIN,四舍五入,除法DSP技术12乘累加单元（MAC）2个乘法器(MAC0和MAC1)实现定点乘法和乘累加运算。乘法器实现两个16位数相乘，得到32位结果，乘法结果可用于累加器进行40位的加减运算。乘法运算乘加运算（结果可舍入）乘减运算（结果可舍入）DSP技术13桶形移位寄存器BarrelShifter桶形移位寄存器实现16-,32-,or40-bit的移位运算。包括：算术移位,逻辑移位,旋转,以及比特的测试、置位、封装、解封装、指数位检测等。DSP技术14程序控制器PROGRAMSEQUENCER程序控制器控制程序流并提供处理器要执行的下条指令的地址。程序流大部分是线性的，此时处理器顺序地执行程序指令。当程序采用非顺序结构时，线性程序流会发生改变，非顺序结构包括：循环子程序跳转中断和异常空闲DSP技术15地址算术单元ADDRESSARITHMETICUNITAAU负责保证在内存和内核寄存器之间进行可靠的数据传输。它可以独立地进行地址运算，以免去数据运算单元负担地址运算。DSP技术16AAU使用数据地址产生器计算数据的存取地址DSP技术17AAU实现多种功能以减小数据访问的开销产生地址：在数据访问期间提供数据地址产生地址后自动修改：提供数据搬移时的地址，并为下一次搬移自动增减地址产生偏移地址：提供相对于某个基地址的偏移量，不改变原始地址指针修改地址：增减地址，不进行数据搬移位逆序地址：在数据搬移时提供位逆序地址DSP技术18DAG的寄存器索引寄存器I[3:0]：无符号32位，保存一个指向存储器的地址，如R3=[I0]变址寄存器M[3:0]：有符号32位，在寄存器数据搬移时，提供I寄存器的增量，如R0=[I0++M1]基址和长度寄存器B[3:0]和L[3:0]：无符号32位，Bn和Ln设置一个循环缓冲器的起始地址和寻址范围，Bn、Ln及In相同下标为相关联的一组，公共完成循环寻址指针寄存器P[5:0],FP,USP,SP：无符号32位指针寄存器，在不同的指令中操作和使用。堆栈指针SP仅在监控模式下可以访问，用户堆栈指针USP在用户模式下是可以访问的DSP技术19BLANKFIN指令集简介DSP技术20DSP技术21Blackfin指令集特点(1)Blackfin处理器系列汇编语言指令集使用易于编程和可读性强的代数语法。采用专门调整的灵活的高密度编码的指令，这些指令被编译后只占用非常小的存储空间。指令集还提供了多功能指令，以使在一个指令中能够使用多个处理器内核资源。除许多微控制器上常见的功能外，指令集编译C和C++源代码时效率非常高。指令集还支持用户（算法/应用代码）和管理员（O/S内核，设备驱动，调试器，ISRs）两种运行模式，允许对处理器内核资源的多级访问。DSP技术22Blackfin指令集特点(2)汇编语言采用了处理器独特的体系结构，具有以下优点：无缝集成DSP/CPU特征，对8位和16位操作进行了优化。并发加载/存储的改进哈佛体系结构，每个周期支持2个16位MAC或4个8位ALU+2个加载/存储+2个指针更新。所有的寄存器、I/O、和存储器被映射成为统一4GB存储空间，提供了一个简化编程模式。微控制器特征，如任意位和位域操作，插入和提取,对8位、16位和32位数据类型上的整数操作，独立的用户和管理员堆栈指针。代码密度增强，包括混合的16和32位指令（无模式转换和代码分离）。常用指令以16位编码。DAG的寻址DSP技术23DAG寻址方式汇总帧和堆栈指针循环缓冲寻址位逆序寻址索引和指针寄存器的索引寻址自动增减寻址预修改堆栈指针寻址立即数偏移地址的索引寻址后修改寻址24DSP技术不同位宽的寻址Blackfin是按字节编址的，但32-，16-，8-bit的访问必须是32-，16-，8-bit对齐的，对应的DAG寄存器的增量为4，2，1。32比特访问：R0=[P3++],访问后P3的增量为416比特访问：R0.L=W[I3++],访问后I3的增量为28比特访问：R0=B[P3++](Z),访问后P3的增量为1,字节值可以零扩展/符号扩展到32位DSP技术25帧和堆栈指针很多时候，FP和SP可以像普通的P寄存器一样来操作，在Load和Store指令中它们与通用指针类似：R1=B[SP](Z)FP和SP还有其特殊的功能，FP作为帧指针可以扩展16位编码的Load/Store操作的寻址范围；SP作为堆栈指针在堆栈操作的指令中发挥作用。DSP技术26SP堆栈指针分为用户堆栈指针和监控堆栈指针。用户模式下：只能访问用户堆栈指针USP，但汇编程序中的访问别名仍为SP监控模式下：可以访问用户堆栈指针USP，和监控堆栈指针SP27DSP技术一些Load/Store指令专用FP和SP来操作FP-索引Load/Store，扩展了16位编码的加载/保存操作的寻址范围堆栈的Push/Pop指令链接/解除链接(Link/Unlink)指令，他们控制堆栈帧空间并为该空间管理FP28DSP技术索引和指针寄存器的索引寻址索引寻址使用I寄存器或者指针寄存器中的值作为有效地址R0=[I2];/*加载32位值*/R0.H=W[I2];/*加载16位值*/R0=B[I2];/*加载8位值*/[P1]=R0;/*保存32位值*/W[P1]=R0;/*保存16位值*/B[P1]=R0;/*保存8位值*/DSP技术29在进行8和16位Load操作时可以进行符号位扩展或者零扩展。例如，假设P1指向的地址中的16位值为0x8080，则R0=W[P1](Z);/*R0=0x00008080*/R1=W[P1](X);/*R1=0xFFFF8080*/R2=B[P1](Z);/*R2=0x00000080*/R3=B[P1](X);/*R3=0xFFFFFF80*/DSP技术30索引寻址可以支持立即数偏移量，这种寻址方式允许程序可以利用一个数据表的基地址，来获取数据表中的数据。而这个寻址过程中基地址指针的值不会被修改。例如，假设P1=0x64008000，则[P1+n]访问的是0x64008000+n这个地址上的值。其中，根据访问的位宽，P1+n应该是位对齐的，否则会触发一个异常事件。DSP技术31自动增减寻址自动增减寻址会在访问后自动更新指针寄存器或者I寄存器。增量大小根据访问的位宽决定，32、16和8比特访问时指针的增量分别为4、2、1。8和16比特的读操作可以指定目标寄存器为符号扩展或零扩展指针寄存器可以用于8、16和32比特访问，而I寄存器只能用于16和32比特访问DSP技术32举例R0=W[P1++](Z);从P1指向的地址加载一个16位的值到R0，高位零扩展。访问后P1加2R0=[I2--];从I2指向的地址加载一个32位的值到R0。访问后I2减4DSP技术33预修改堆栈指针寻址预修改寻址只用于堆栈指针SP它是在使用SP之前先对SP进行修改仅支持32位操作举例：[--SP]=R0;将R0压入堆栈DSP技术34后修改寻址后修改寻址使用I寄存器或者P寄存器的值作为有效地址，然后通过另一个寄存器的值来修改它。P寄存器可以通过其它的P寄存器来修改I寄存器可通过M寄存器来修改这类指令不支持P寄存器作为目的寄存器，也不支持字节寻址DSP技术35后修改寻址举例R5=[P1++P2];从P1指向的地址Load一个32位数到R5，然后P1=P1+P2R2=W[P4++P5](Z);从P4指向的地址Load一个16位值到R2，高位零扩展，然后P4=P4+P5R2=[I2++M1];从I2指向的地址Load一个32位数到R2，然后I2=I2+M1DSP技术36循环寻址索引寄存器Ix：是输出到地址总线上的值变址寄存器Mx：是Ix的增量（步长）基址寄存器Bx：缓冲区起始地址长度寄存器Lx：缓冲区长度缓冲区的边界判断和地址的计算方法如下：