ARM的2種工作狀態(tài)，7種工作模式和37個(gè)寄存器

1、ARM狀態(tài)：32位，ARM狀態(tài)執(zhí)行字對(duì)齊的32位ARM指令。

2、Thumb狀態(tài)，16位，執(zhí)行半字對(duì)齊的16位

注：1、ARM和Thumb兩種狀態(tài)之間的切換不影響處理器的工作模式和寄存器的內(nèi)容。

2、ARM處理器在處理異常時(shí)，不過(guò)處理器處于什么狀態(tài)，則都將切換到ARM狀態(tài)。

二、ARM處理器的7種模式：

CPSR(當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器)的低5位用于定義當(dāng)前操作模式，如圖示：

1、用戶(hù)模式（User,usr）

說(shuō)明：正常程序執(zhí)行的模式

2、系統(tǒng)模式（System,sys）

說(shuō)明：用戶(hù)模式與系統(tǒng)模式兩者使用相同的寄存器，都沒(méi)有SPSR（Saved Program Statement Register，已保存程序狀態(tài)寄存器），但系統(tǒng)模式比用戶(hù)模式有更高的權(quán)限。3、快中斷模式（Fast Interrupt Request，F(xiàn)IR）

4、一般中斷模式（IRQ，Interrupt ReQuest）

5、管理模式（Supervisor，SVC）

說(shuō)明：系統(tǒng)復(fù)位或開(kāi)機(jī)時(shí)則進(jìn)入到SVC模式下

6、中止（abort）

說(shuō)明：當(dāng)遇到軟中斷（SWI，Software Interrupt）時(shí)，也將進(jìn)入到SVC模式下

7、未定義（undefine）

說(shuō)明：用于支持通過(guò)軟件方針硬件的協(xié)處理器

說(shuō)明：1、用戶(hù)模式外，其它6種模式稱(chēng)為特權(quán)模式。所謂特權(quán)模式，即具有如下權(quán)利：a.MRS（把狀態(tài)寄存器的內(nèi)容放到通用寄存器）；b.MSR（把通用寄存器的內(nèi)容放到狀態(tài)寄存器中）。由于狀態(tài)寄存器中的內(nèi)容不能夠改變，因此要先把內(nèi)容復(fù)制到通用寄存器中，然后修改通用寄存器中的內(nèi)容，再把通用寄存器中的內(nèi)容復(fù)制給狀態(tài)寄存器中即可完成“修改狀態(tài)寄存器”的任務(wù)。

2、剩下的六種模式中除去系統(tǒng)模式外，統(tǒng)稱(chēng)為異常模式。

三、ARM指令中有37個(gè)寄存器，有31個(gè)通用寄存器和6個(gè)狀態(tài)寄存器。

原因：ARM處理器共有37個(gè)寄存器，其中包括：31個(gè)通用寄存器，包括程序計(jì)數(shù)器(PC)在內(nèi)，這些寄存器都是32位寄存器，以及6個(gè)32位狀態(tài)寄存器。但目前只使用了其中12位。ARM處理器共有7種不同的處理器模式，在每一種處理器模式中有一組相應(yīng)的寄存器組。任意時(shí)刻(也就是任意的處理器模式下)，可見(jiàn)的寄存器包括15個(gè)通用寄存器(R0～R14)、一個(gè)或兩個(gè)狀態(tài)寄存器及程序計(jì)數(shù)器(PC)。在所有的寄存器中，有些是各模式共用的同一個(gè)物理寄存器；有一些寄存器是各模式自己擁有的獨(dú)立的物理寄存器。 系統(tǒng)模式和用戶(hù)模式共享相同的寄存器。用戶(hù)、系統(tǒng)模式?jīng)]有“保存的程序狀態(tài)寄存器（SPSR）”，而其他5種模式分別有一個(gè)對(duì)應(yīng)的“保存的狀態(tài)寄存器（SPSR）”，即共五個(gè)SPSR，七個(gè)模式共用一個(gè)“當(dāng)時(shí)程序狀態(tài)寄存器（CPSR）”，即共六個(gè)狀態(tài)寄存器，還有31個(gè)通用寄存器。

3.1 ARM工作狀態(tài)下的寄存器組織
通用寄存器：
通用寄存器包括R0～R15，可以分為三類(lèi)：
─ 未分組寄存器R0～R7
─ 分組寄存器R8～R14
─ 程序計(jì)數(shù)器PC(R15)
未分組寄存器R0～R7：
在所有的運(yùn)行模式下，未分組寄存器都指向同一個(gè)物理寄存器，他們未被系統(tǒng)用作特殊的用途，因此，在中斷或異常處理進(jìn)行運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換時(shí)，由于不同的處理器運(yùn)行模式均使用相同的物理寄存器，可能會(huì)造成寄存器中數(shù)據(jù)的破壞，這一點(diǎn)在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)引起注意。
分組寄存器R8～R14
對(duì)于分組寄存器，他們每一次所訪(fǎng)問(wèn)的物理寄存器與處理器當(dāng)前的運(yùn)行模式有關(guān)。
對(duì)于R8～R12來(lái)說(shuō)，每個(gè)寄存器對(duì)應(yīng)兩個(gè)不同的物理寄存器，當(dāng)使用fiq模式時(shí)，訪(fǎng)問(wèn)寄存器R8_fiq～R12_fiq；當(dāng)使用除fiq模式以外的其他模式時(shí)，訪(fǎng)問(wèn)寄存器R8_usr～R12_usr。
對(duì)于R13、R14來(lái)說(shuō)，每個(gè)寄存器對(duì)應(yīng)6個(gè)不同的物理寄存器，其中的一個(gè)是用戶(hù)模式與系統(tǒng)模式共用，另外5個(gè)物理寄存器對(duì)應(yīng)于其他5種不同的運(yùn)行模式。
采用以下的記號(hào)來(lái)區(qū)分不同的物理寄存器：
R13_
R14_
其中，mode為以下幾種模式之一：usr、fiq、irq、svc、abt、und。
寄存器R13在ARM指令中常用作堆棧指針，但這只是一種習(xí)慣用法，用戶(hù)也可使用其他的寄存器作為堆棧指針。而在Thumb指令集中，某些指令強(qiáng)制性的要求使用R13作為堆棧指針。
由于處理器的每種運(yùn)行模式均有自己獨(dú)立的物理寄存器R13，在用戶(hù)應(yīng)用程序的初始化部分，一般都要初始化每種模式下的R13，使其指向該運(yùn)行模式的?？?間，這樣，當(dāng)程序的運(yùn)行進(jìn)入異常模式時(shí)，可以將需要保護(hù)的寄存器放入R13所指向的堆棧，而當(dāng)程序從異常模式返回時(shí)，則從對(duì)應(yīng)的堆棧中恢復(fù)，采用這種方式 可以保證異常發(fā)生后程序的正常執(zhí)行。
R14也稱(chēng)作子程序連接寄存器（Subroutine Link Register）或連接寄存器LR。當(dāng)執(zhí)行BL子程序調(diào)用指令時(shí)，R14中得到R15（程序計(jì)數(shù)器PC）的備份。其他情況下，R14用作通用寄存器。與 之類(lèi)似，當(dāng)發(fā)生中斷或異常時(shí)，對(duì)應(yīng)的分組寄存器R14_svc、R14_irq、R14_fiq、R14_abt和R14_und用來(lái)保存R15的返回 值。
寄存器R14常用在如下的情況：
在每一種運(yùn)行模式下，都可用R14保存子程序的返回地址，當(dāng)用BL或BLX指令調(diào)用子程序時(shí)，將PC的當(dāng)前值拷貝給R14，執(zhí)行完子程序后，又將R14的值拷貝回PC，即可完成子程序的調(diào)用返回。以上的描述可用指令完成：
1、執(zhí)行以下任意一條指令：
MOV PC，LR
BX LR
2、在子程序入口處使用以下指令將R14存入堆棧：
STMFD SP！,{,LR}
對(duì)應(yīng)的，使用以下指令可以完成子程序返回：
LDMFD SP！,{,PC}
R14也可作為通用寄存器。
程序計(jì)數(shù)器PC(R15)
寄存器R15用作程序計(jì)數(shù)器（PC）。在ARM狀態(tài)下，位[1:0]為0，位[31:2]用于保存PC；在Thumb狀態(tài)下，位[0]為0，位 [31:1]用于保存PC；雖然可以用作通用寄存器，但是有一些指令在使用R15時(shí)有一些特殊限制，若不注意，執(zhí)行的結(jié)果將是不可預(yù)料的。在ARM狀態(tài) 下，PC的0和1位是0，在Thumb狀態(tài)下，PC的0位是0。
R15雖然也可用作通用寄存器，但一般不這么使用，因?yàn)閷?duì)R15的使用有一些特殊的限制，當(dāng)違反了這些限制時(shí)，程序的執(zhí)行結(jié)果是未知的。
由于ARM體系結(jié)構(gòu)采用了多級(jí)流水線(xiàn)技術(shù)，對(duì)于ARM指令集而言，PC總是指向當(dāng)前指令的下兩條指令的地址，即PC的值為當(dāng)前指令的地址值加8個(gè)字節(jié)。

在ARM狀態(tài)下，任一時(shí)刻可以訪(fǎng)問(wèn)以上所討論的16個(gè)通用寄存器和一到兩個(gè)狀態(tài)寄存器。在非用戶(hù)模式（特權(quán)模式）下，則可訪(fǎng)問(wèn)到特定模式分組寄存器，上圖說(shuō)明在每一種運(yùn)行模式下，哪一些寄存器是可以訪(fǎng)問(wèn)的。
寄存器R16：
寄存器R16用作CPSR(Current Program Status Register，當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器)，CPSR可在任何運(yùn)行模式下被訪(fǎng)問(wèn)，它包括條件標(biāo)志位、中斷禁止位、當(dāng)前處理器模式標(biāo)志位，以及其他一些相關(guān)的控制和狀態(tài)位。
每一種運(yùn)行模式下又都有一個(gè)專(zhuān)用的物理狀態(tài)寄存器，稱(chēng)為SPSR（Saved Program Status Register，備份的程序狀態(tài)寄存器），當(dāng)異常發(fā)生時(shí)，SPSR用于保存CPSR的當(dāng)前值，從異常退出時(shí)則可由SPSR來(lái)恢復(fù)CPSR。
由于用戶(hù)模式和系統(tǒng)模式不屬于異常模式，他們沒(méi)有SPSR，當(dāng)在這兩種模式下訪(fǎng)問(wèn)SPSR，結(jié)果是未知的。
3.2 Thumb工作狀態(tài)下的寄存器組織
Thumb狀態(tài)下的寄存器集是ARM狀態(tài)下寄存器集的一個(gè)子集，程序可以直接訪(fǎng)問(wèn)8個(gè)通用寄存器（R7～R0）、程序計(jì)數(shù)器（PC）、堆棧指針（SP）、 連接寄存器（LR）和CPSR。同時(shí)，在每一種特權(quán)模式下都有一組SP、LR和SPSR。圖2.4表明Thumb狀態(tài)下的寄存器組織。

Thumb狀態(tài)下的寄存器組織與ARM狀態(tài)下的寄存器組織的關(guān)系：
─ Thumb狀態(tài)下和ARM狀態(tài)下的R0～R7是相同的。
─ Thumb狀態(tài)下和ARM狀態(tài)下的CPSR和所有的SPSR是相同的。
─ Thumb狀態(tài)下的SP對(duì)應(yīng)于ARM狀態(tài)下的R13。
─ Thumb狀態(tài)下的LR對(duì)應(yīng)于ARM狀態(tài)下的R14。
─ Thumb狀態(tài)下的程序計(jì)數(shù)器對(duì)應(yīng)于ARM狀態(tài)下R15
以上的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2.5所示：

訪(fǎng)問(wèn)THUMB狀態(tài)下的高位寄存器（Hi-registers）：
在Thumb狀態(tài)下，高位寄存器R8～R15并不是標(biāo)準(zhǔn)寄存器集的一部分，但可使用匯編語(yǔ)言程序受限制的訪(fǎng)問(wèn)這些寄存器，將其用作快速的暫存器。使用帶特 殊變量的MOV指令，數(shù)據(jù)可以在低位寄存器和高位寄存器之間進(jìn)行傳送；高位寄存器的值可以使用CMP和ADD指令進(jìn)行比較或加上低位寄存器中的值。

程序狀態(tài)寄存器
ARM體系結(jié)構(gòu)包含一個(gè)當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器（CPSR）和五個(gè)備份的程序狀態(tài)寄存器（SPSRs）。備份的程序狀態(tài)寄存器用來(lái)進(jìn)行異常處理，其功能包括：
─ 保存ALU中的當(dāng)前操作信息
─ 控制允許和禁止中斷
─ 設(shè)置處理器的運(yùn)行模式
程序狀態(tài)寄存器的每一位的安排如下圖所示：

條件碼標(biāo)志（Condition Code Flags）
N、Z、C、V均為條件碼標(biāo)志位。它們的內(nèi)容可被算術(shù)或邏輯運(yùn)算的結(jié)果所改變，并且可以決定某條指令是否被執(zhí)行。
在ARM狀態(tài)下，絕大多數(shù)的指令都是有條件執(zhí)行的。
在Thumb狀態(tài)下，僅有分支指令是有條件執(zhí)行的。

N  Negative        如果結(jié)果是負(fù)數(shù)則置位Z  Zero            如果結(jié)果是零則置位C  Carry           如果發(fā)生進(jìn)位則置位O  Overflow        如果發(fā)生溢出則置位