ARM的工作模式和寄存器

ARM架構(gòu)是構(gòu)建每個(gè)ARM處理器的基礎(chǔ)。

目前最新的是ARM v8架構(gòu)：http://www.arm.com/zh/products/processors/instruction-set-architectures/armv8-architecture.php

ARMv8-A 將 64 位架構(gòu)支持引入 ARM 架構(gòu)中，其中包括：64 位通用寄存器、SP（堆棧指針）和 PC（程序計(jì)數(shù)器）64 位數(shù)據(jù)處理和擴(kuò)展的虛擬尋址兩種主要執(zhí)行狀態(tài)：AArch64 - 64 位執(zhí)行狀態(tài)，包括該狀態(tài)的異常模型、內(nèi)存模型、程序員模型和指令集支持AArch32 — 32 位執(zhí)行狀態(tài)，包括該狀態(tài)的異常模型、內(nèi)存模型、程序員模型和指令集支持這些執(zhí)行狀態(tài)支持三個(gè)主要指令集：A32（或 ARM）：32 位固定長度指令集，通過不同架構(gòu)變體增強(qiáng)部分 32 位架構(gòu)執(zhí)行環(huán)境現(xiàn)在稱為 AArch32。T32 (Thumb) 是以 16 位固定長度指令集的形式引入的，隨后在引入 Thumb-2 技術(shù)時(shí)增強(qiáng)為 16 位和 32 位混合長度指令集。部分 32 位架構(gòu)執(zhí)行環(huán)境現(xiàn)在稱為 AArch32。A64：提供與 ARM 和 Thumb 指令集類似功能的 32 位固定長度指令集。隨 ARMv8-A 一起引入，它是一種 AArch64 指令集。 ARM ISA 不斷改進(jìn)，以滿足前沿應(yīng)用程序開發(fā)人員日益增長的要求，同時(shí)保留了必要的向后兼容性，以保護(hù)軟件開發(fā)投資。在 ARMv8-A 中，對(duì) A32 和 T32 進(jìn)行了一些增補(bǔ)，以保持與 A64 指令集一致。

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ARM共有七種工作模式

1 用戶模式(User):用于正常執(zhí)行程序

2 系統(tǒng)模式(Sys)：運(yùn)行具有特權(quán)的操作系統(tǒng)任務(wù)

3 快速中斷模式(FIQ)：用于高速數(shù)據(jù)傳輸和通道處理

4 外部中斷模式(IRQ)：用于通常的中斷處理

5 管理模式(svc)：操作系統(tǒng)使用的保護(hù)模式

6 數(shù)據(jù)訪問終止模式(abt)：當(dāng)數(shù)據(jù)或指令預(yù)取終止時(shí)進(jìn)入，可用于虛擬存儲(chǔ)及存儲(chǔ)保護(hù)（有待檢驗(yàn)）

7 未定義指令終止模式(Und)：當(dāng)未定義的指令執(zhí)行時(shí)進(jìn)入該模式，可用于支持硬件協(xié)處理器的軟件仿真（有待檢驗(yàn)）

ARM的寄存器

ARM共有37個(gè)寄存器，其中31個(gè)通用寄存器和6個(gè)狀態(tài)寄存器。這些寄存器不能被同時(shí)訪問，但在每種工作模式下都可訪問16個(gè)通用寄存器(R0~R15),和一個(gè)或兩個(gè)狀態(tài)寄存器(cpsr、spsr)。

31個(gè)通用寄存器可以分成三類：

1 未分組寄存器(R0~R7)

　　在每一種工作模式下未分組寄存器都指向同一個(gè)物理寄存器

2 分組寄存器(R8~R14)

　　對(duì)于分組寄存器，不同工作模式訪問的物理寄存器不同。對(duì)于R8~R12而言，每個(gè)寄存器對(duì)應(yīng)兩個(gè)不同的物理寄存器，當(dāng)處于快速中斷模式時(shí)訪問R8_fiq~R12_fiq，當(dāng)處于非快速中斷模式時(shí)訪問R8_usr~R12_usr。

　　對(duì)于R13和R14寄存器來說，每個(gè)寄存器對(duì)應(yīng)6個(gè)物理寄存器。其中一個(gè)是用戶模式和系統(tǒng)模式共用，其他5個(gè)物理寄存器對(duì)應(yīng)5個(gè)異常模式，并采用R13_ /R14_ 來區(qū)分。寄存器R13在ARM指令中常用作堆棧指針，用戶也可以用其它寄存器作為堆棧指針，而在Thumb指令集中，某些指令強(qiáng)制要求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?？臻g。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。寄存器R14稱為鏈接寄存器(Link Register),當(dāng)執(zhí)行子程序調(diào)用指令(BL)時(shí),R14可得到R15(程序計(jì)數(shù)器PC)的備份。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)前值給R14，執(zhí)行完子程序后，又將R14的值回PC，即可完成子程序的調(diào)用返回。

3 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.由于ARM體系結(jié)構(gòu)采用了多級(jí)流水線技術(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)。

6個(gè)狀態(tài)寄存器：

寄存器R16用作CPSR(CurrentProgram Status Register，當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器)，CPSR可在任何運(yùn)行模式下被訪問，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)專用的物理狀態(tài)寄存器，稱為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來恢復(fù)CPSR。由于用戶模式和系統(tǒng)模式不屬于異常模式，它們沒有SPSR，當(dāng)在這兩種模式下訪問SPSR，結(jié)果是未知的。
　　控制位：PSR的低8位(包括I,F,T和M[4:0])稱為控制位,當(dāng)發(fā)生異常時(shí)這些位可以被改變,如果處理器運(yùn)行特權(quán)模式,這些位也可以由程序修改.

　　標(biāo)志位：(不可手動(dòng)修改)

　　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):當(dāng)用兩個(gè)補(bǔ)碼表示的帶符號(hào)數(shù)進(jìn)行運(yùn)行時(shí),N=1表示運(yùn)行結(jié)果為負(fù),N=0表示運(yùn)行結(jié)果為正或零
　　Z:(Zero):Z=1表示運(yùn)算結(jié)果為零,Z=0表示運(yùn)行結(jié)果非零
　　C:(Carry)加法運(yùn)算:當(dāng)運(yùn)算結(jié)果產(chǎn)生了進(jìn)位時(shí)C=1,否則C=0
　　　　減法運(yùn)算:當(dāng)運(yùn)算產(chǎn)生了借位,C=0否則C=1
　　　　對(duì)于包含移位操作的非加/減運(yùn)算指令 ,C為移出值的最后一位
　　　　對(duì)于其他的非加/減運(yùn)算指令C的值通常不改變
　　V:(OVerflow)對(duì)于加/減法運(yùn)算指令,當(dāng)操作數(shù)和運(yùn)算結(jié)果為二進(jìn)制的被碼表示的帶符注意力時(shí),V=1表示符號(hào)位溢出.對(duì)于其他的非加/減運(yùn)算指令V的值通常不改變

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