ARM處理器模式及寄存器
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- ARM微處理器支持7種運行模式，分別為：
用戶模式(usr)： ARM處理器正常的程序執(zhí)行狀態(tài)。快速中斷模式(fiq)：用于高速數(shù)據(jù)傳輸或通道處理。外部中斷模式(irq)：用于通用的中斷處理。管理模式(svc)： 操作系統(tǒng)使用的保護模式。軟中斷和復(fù)位數(shù)據(jù)訪問中止模式(abt)： 當數(shù)據(jù)或指令預(yù)取終止時進入該模式，可用于虛擬存儲及存儲保護。系統(tǒng)模式(sys)： 運行具有特權(quán)的操作系統(tǒng)任務(wù)。未定義指令中止模式(und)：當未定義的指令執(zhí)行時進入該模式，可用于支持硬件協(xié)處理器的軟件仿真
- 除用戶模式外的其余6種模式都稱為特權(quán)模式，這些模式下，程序可以訪問所有的系統(tǒng)資源，也可以任一進行處理器模式切換。其中，除系統(tǒng)模式外，其他5種模式又稱為異常模式
二、ARM寄存器
(一)ARM工作狀態(tài)下的寄存器組織
ARM處理器共有37個寄存器。其中包括：
- 31個通用寄存器，包括程序計數(shù)器(PC)在內(nèi)。這些寄存器都是32位寄存器
- 6個32位狀態(tài)寄存器。
表1各種處理器模式下的寄存器
用戶模式 | 系統(tǒng)模式 | 特權(quán)模式 | 中止模式 | 未定義指令模式 | 外部中斷模式 | 快速中斷模式 |
R0 | R0 | R0 | R0 | R0 | R0 | R0 |
R1 | R1 | R1 | R1 | R1 | R1 | R1 |
R2 | R2 | R2 | R2 | R2 | R2 | R2 |
R3 | R3 | R3 | R3 | R3 | R3 | R3 |
R4 | R4 | R4 | R4 | R4 | R4 | R4 |
R5 | R5 | R5 | R5 | R5 | R5 | R5 |
R6 | R6 | R6 | R6 | R6 | R6 | R6 |
R8 | R8 | R8 | R8 | R8 | R8 | R8_fiq |
R9 | R9 | R9 | R9 | R9 | R9 | R9_fiq |
R10 | R10 | R10 | R10 | R10 | R10 | R10_fiq |
R11 | R11 | R11 | R11 | R11 | R11 | R11_fiq |
R12 | R12 | R12 | R12 | R12 | R12 | R12_fiq |
R13 | R13 | R13_svc | R13_abt | R13_und | R13_inq | R13_fiq |
R14 | R14 | R14_svc | R14_abt | R14_und | R14_inq | R14_fiq |
PC | PC | PC | PC | PC | PC | PC |
CPSR | CPSR | CPSR SPSR_svc | CPSR SPSR_abt | CPSR SPSR_und | CPSR SPSR_inq | CPSR SPSR_fiq |
- 當發(fā)生異常中斷時，處理器進入相應(yīng)的異常模式。在每一種異常模式下都有相應(yīng)的一組寄存器，供相應(yīng)的異常處理程序使用，這樣就可以保證在進入異常模式時，用戶模式下的寄存器（保存了程序運行狀態(tài)）不被破壞。
- 系統(tǒng)模式不是通過異常進入的，他和用戶模式具有完全一樣的寄存器
1、通用寄存器
通用寄存器通常分為以下三類：
未備份寄存器：R0——R7
備份寄存器：R8——R14
程序計數(shù)器PC，即R15
未備份寄存器R0——R7：
R0～R7。在所有的處理器模式下指的都是同一個物理寄存器。在異常中斷造成處理器模式切換時，由于不同的處理器模式使用相同的物理寄存器，可能造成寄存器中數(shù)據(jù)被破壞。
備份寄存器R8～R14：
（1）寄存器R8～R12
每個寄存器對應(yīng)兩個不同的物理寄存器。例如，當使用快速中斷模式下的寄存器時，寄存器R8和寄存器R9分別記作R8_fiq、R9_fiq；當使用用戶模式下的寄存器時，寄存器R8和寄存器R9分別記作R8_usr、R9_usr等。在這兩種情況下使用的是不同的物理寄存器。系統(tǒng)沒有將這幾個寄存器用于任何的特殊用途，但是當中斷處理非常簡單，僅僅使用R8～R14寄存器時，F(xiàn)IQ處理程序可以不必執(zhí)行保存和恢復(fù)中斷現(xiàn)場的指令，從而可以使中斷處理過程非常迅速。對于備份寄存器R13和R14來說，每個寄存器對應(yīng)6個不同的物理寄存器，其中的一個是用戶模式和系統(tǒng)模式共用的；另外的5個對應(yīng)于其他5種處理器模式。
（2）寄存器R13在ARM中常用作棧指針（Stack Point，SP）
- 在ARM指令集中，這只是一種習(xí)慣的用法，并沒有任何指令強制性的使用R13作為棧指針，用戶也可以使用其他的寄存器作為棧指針；而在Thumb指令集中，有一些指令強制性地使用R13作為棧指針。
- 每一種異常模式擁有自己的物理的R13。應(yīng)用程序初始化該R13，使其指向該異常模式專用的棧地址。當進入異常模式時，可以將需要使用的寄存器保存在R13所指的棧中；當退出異常處理程序時，將保存在R13所指的棧中的寄存器值彈出。這樣就使異常處理程序不會破壞被其中斷程序的運行現(xiàn)場。
（3）寄存器R14又被稱為連接寄存器(Link Register，LR)
- 在ARM體系中具有下面兩種特殊的作用：每一種處理器模式自己的物理R14中存放在當前子程序的返回地址。當通過BL或BLX指令調(diào)用子程序時，R14被設(shè)置成該子程序的返回地址。在子程序中，當把R14的值到程序計數(shù)器PC中時，子程序即返回。
- 當異常中斷發(fā)生時，該異常模式特定的物理R14被設(shè)置成該異常模式將要返回的地址，對于有些異常模式，R14的值可能與將返回的地址有一個常數(shù)的偏移量。具體的返回方式與上面的子程序返回方式基本相同。
- R14寄存器也可以作為通用寄存器使用。
程序計數(shù)器R15（PC）
- 程序計數(shù)器R15又被記作PC。它雖然可以作為一般的通用寄存器使用，但是有一些指令在使用R15時有一些特殊限制。當違反了這些限制時，該指令執(zhí)行的結(jié)果將是不可預(yù)料的。
- 由于ARM采用了流水線機制，當正確讀取了PC的值時，該值為當前指令地址值加8個字節(jié)。也就是說，對于ARM指令集來說，PC指向當前指令的下兩條指令的地址。（因為ARM使用RISC精簡指令集，ARM的一條指令所占內(nèi)存為32位，4個字節(jié)。所以當一條指令正確讀取時，該寄存器指向當前指令地址加8，即指向下兩條指令的地址）
- 當成功地向R15中寫入一個地址數(shù)值時，程序?qū)⑻皆摰刂穲?zhí)行。由于ARM指令是字對齊的，所以PC值的第0位和第1位總為0。需要注意的是，當使用指令STR／STM保存R15時，保存的可能是當前指令地址值加8字節(jié)，也可能保存的是當前指令地址加12字節(jié)。到底是哪種方式，取決于芯片具體設(shè)計方式。無論如何，在同一芯片中，要么采用當前指令地址加8，要么采用當前指令地址加12，不能有些指令采用當前指令地址加8，另一些指令采用當前指令地址加12。因此對于用戶來說，盡量避免使用STR／STM指令來保存R15的值。當不可避免這種使用方式時，可以先通過一些代碼來確定所用的芯片使用的是哪種實現(xiàn)方式。
- 對于ARM版本4以及更高的版本，程序必須保證寫入R15寄存器的地址值的bits[1：0]為0b00；否則將會產(chǎn)生不可預(yù)知的結(jié)果。
- 對于Thumb指令集來說，指令是半字對齊的。處理器將忽略bit[0]，即寫入R15的地址值首先與0XFFFFFFFE做與操作，再寫入R15中。
- 還有—些指令對于R15的用法有一些特殊的要求。比如，指令BX利用bit[0]來確定是ARM指令，還是Thumb指令。這種讀取PC值和寫入PC值的不對稱的操作需要特別注意。
注：PC指向的地址是取指單元要取指令的地址，而不是當前執(zhí)行的指令。
2、程序狀態(tài)寄存器
CPSR(當前程序狀態(tài)寄存器)可以在任何處理器模式下被訪問。它包含了條件標志位、中斷禁止位、當前處理器模式標志以及其他的一些控制和狀態(tài)位。每一種處理器模式下都有一個專用的物理狀態(tài)寄存器，稱為SPSR(備份程序狀態(tài)寄存器)。當特定的異常中斷發(fā)生時，這個寄存器用于存放當前程序狀態(tài)寄存器（CPSR）的內(nèi)容。在異常中斷程序退出時，可以用SPSR中保存的值來恢復(fù)CPSR。
由于用戶模式和系統(tǒng)模式不是異常中斷模式，所以它們沒有SPSR。當在用戶模式或系統(tǒng)模式中訪問SPSR，將會產(chǎn)生不可預(yù)知的結(jié)果。
CPSR的格式如下所示。SPSR格式與CPSR格式相同。
31 | 30 | 29 | 28 | 27 | 26 | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 |
N | Z | C | V | Q | DNM(RAZ) | I | F | T | M4 | M3 | M2 | M1 | M0 |
1.條件標志位
N(Negative)、Z(Zero)、C(Carry)及V(oVerflow)統(tǒng)稱為條件標志位。大部分的ARM指令可以根據(jù)CPSR中的這些條件標志位來選擇性地執(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 對于有符號運算，如果結(jié)果是負數(shù)則置位Z Zero 如果結(jié)果是零則置位C Carry 對于無符號運算，如果發(fā)生進位則置位V Overflow 對于有符號運算，如果發(fā)生溢出則置位I IRQ 中斷禁用F FIQ 快速中斷禁用
標志位 | 含義 |
N | 本位設(shè)置成當前指令運算結(jié)果的bit[31]的值 當兩個補碼表示的有符號整數(shù)運算時，N=1表示運算的結(jié)果為負數(shù)；N=0表示結(jié)果為正數(shù)或零 |
Z | Z=1表示運算的結(jié)果為零；Z=0表示運算的結(jié)果不為零。 對于CMP指令，Z=1表示進行比較的兩個數(shù)大小相等。 |
| C | 下面分4種情況討論C的設(shè)置方法： 在加法指令中(包括比較指令CMN)，當結(jié)果產(chǎn)生了進位，則C=1，表示無符號數(shù)運算發(fā)生上溢出；其他情況下C=0。 在減法指令中(包括比較指令CMP)，當運算中發(fā)生借位則C=0表示無符號數(shù)運算發(fā)生下溢出；其他情況下C=1。 對于包含移位操作的非加／減法運算指令，C中包含最后一次溢出的位數(shù)數(shù)值。 對于其他非加／減法運算指令，C位的值通常不受影響。 |
V | 對于加／減法運算指令，當操作數(shù)和運算結(jié)果為二進制的補碼表示的帶符號數(shù)時V＝1表示符號位溢出。 通常其他的指令不影響V位，具體可參考各指令的說明。 |
2.Q標志位
在ARMv5的E系列處理器中，CPSR的bit[27]稱為Q標志位，主要用于指示增強的DSP指令是否發(fā)生了溢出。同樣的SPSR中的bit[27]也稱為Q標志位，用于在異常中斷發(fā)生時保存和恢復(fù)CPSR中的Q標志位。
在ARM v5以前的版本及ARM v5的非E系列的處理器中，Q標志位沒有被定義。CPSR的bit[27]屬于DNM(RAZ)。
3.CPSR中的控制位
CPSR的低8位I、F、T及M[4：0]統(tǒng)稱為控制位。當異常中斷發(fā)生時這些位發(fā)生變化。在特權(quán)級的處理器模式下，軟件可以修改這些控制位。
1)中斷禁止位
- 當I=1時禁止IRQ中斷。
- 當F=1時禁止FIQ中斷。
2)T控制位
T控制位用于控制指令執(zhí)行的狀態(tài)，即說明本指令是ARM指令，還是Thumb指令。對與不同版本的ARM處理器，T控制位的含義不同。
對于ARMv4以及更高版本的T系列的ARM處理器，
- T=0表示執(zhí)行ARM指令。
- T=1表示執(zhí)行Thumb指令。
對于ARMv5以及更高的版本的非T系列的ARM處理器，T控制位含義如下：
- T=0表示執(zhí)行ARM指令。
- T=1表示強制下一條執(zhí)行的指令產(chǎn)生未定義指令中斷。
3)M控制位
控制位M[4：0]控制處理器模式，具體含義如表3所示。
表3控制位M[4：0]的含義
M[4：0] | 處理器模式 | 可訪問的寄存器 |
0b10000 | User | PC，R14一R0，CPSR |
0b10001 | FIQ | PC，R14_fiq-R8_flq，R7~R0，CPSR，SPSR_nq |
0b10010 | 1RQ | PC，R14 _irq-R13 _irq，R12一R0，CPSR，SPSR_ irq |
0b10011 | Supervisor | PC，R14_ svc-R13 _svc，R12～R0，CPSR，SPSR_svc |
0b10111 | Abort | PC，R14_abt-R13_abt，R12～R0，CPSR，SPSR_abt |
0b11011 | Undefined | PC，R14_und-R13_und，R12~R0，CPSR，SPSR_ und |
4.CPSR中的其他位
CPSR中的其他位用于將來ARM版本的擴展。應(yīng)用軟件不要操作這些位，以免與ARM將來版本的擴展沖突。
(二)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)下寄存器集的一個子集，程序可以直接訪問8個通用寄存器（R7～R0）、程序計數(shù)器（PC）、堆棧指針（SP）、 連接寄存器（LR）和CPSR。同時，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對應(yīng)于ARM狀態(tài)下的R13。
─ Thumb狀態(tài)下的LR對應(yīng)于ARM狀態(tài)下的R14。
─ Thumb狀態(tài)下的程序計數(shù)器對應(yīng)于ARM狀態(tài)下R15
以上的對應(yīng)關(guān)系如圖2.5所示：
訪問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并不是標準寄存器集的一部分，但可使用匯編語言程序受限制的訪問這些寄存器，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行傳送；高位寄存器的值可以使用CMP和ADD指令進行比較或加上低位寄存器中的值。
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