ARM應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)詳解 第2章 ARM微處理器的編程模型

本章的主要內(nèi)容：

－ ARM微處理器的工作狀態(tài)

－ ARM體系結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器格式

－ ARM微處理器的工作模式

－ ARM體系結(jié)構(gòu)的寄存器組織

－ ARM微處理器的異常狀態(tài)

在開始本章之前，首先對(duì)字（Word）、半字（Half-Word）、字節(jié)（Byte）的概念作一個(gè)說(shuō)明：

字（Word）：在ARM體系結(jié)構(gòu)中，字的長(zhǎng)度為32位，而在8位/16位處理器體系結(jié)構(gòu)中，字的長(zhǎng)度一般為16位，請(qǐng)讀者在閱讀時(shí)注意區(qū)分。

半字（Half-Word）：在ARM體系結(jié)構(gòu)中，半字的長(zhǎng)度為16位，與8位/16位處理器體系結(jié)構(gòu)中字的長(zhǎng)度一致。

字節(jié)（Byte）：在ARM體系結(jié)構(gòu)和8位/16位處理器體系結(jié)構(gòu)中，字節(jié)的長(zhǎng)度均為8位。

2.1 ARM微處理器的工作狀態(tài)

從編程的角度看，ARM微處理器的工作狀態(tài)一般有兩種，并可在兩種狀態(tài)之間切換：

－ 第一種為ARM狀態(tài)，此時(shí)處理器執(zhí)行32位的字對(duì)齊的ARM指令；

－ 第二種為Thumb狀態(tài)，此時(shí)處理器執(zhí)行16位的、半字對(duì)齊的Thumb指令。

當(dāng)ARM微處理器執(zhí)行32位的ARM指令集時(shí)，工作在ARM狀態(tài)；當(dāng)ARM微處理器執(zhí)行16位的Thumb指令集時(shí)，工作在Thumb狀態(tài)。在程序的執(zhí)行過(guò)程中，微處理器可以隨時(shí)在兩種工作狀態(tài)之間切換，并且，處理器工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)變并不影響處理器的工作模式和相應(yīng)寄存器中的內(nèi)容。

狀態(tài)切換方法：

ARM指令集和Thumb指令集均有切換處理器狀態(tài)的指令，并可在兩種工作狀態(tài)之間切換，但ARM微處理器在開始執(zhí)行代碼時(shí)，應(yīng)該處于ARM狀態(tài)。

進(jìn)入Thumb狀態(tài)：當(dāng)操作數(shù)寄存器的狀態(tài)位（位0）為1時(shí)，可以采用執(zhí)行BX指令的方法，使微處理器從ARM狀態(tài)切換到Thumb狀態(tài)。此外，當(dāng)處理器處于Thumb狀態(tài)時(shí)發(fā)生異常（如IRQ、FIQ、Undef、Abort、SWI等），則異常處理返回時(shí)，自動(dòng)切換到Thumb狀態(tài)。

進(jìn)入ARM狀態(tài)：當(dāng)操作數(shù)寄存器的狀態(tài)位為0時(shí)，執(zhí)行BX指令時(shí)可以使微處理器從Thumb狀態(tài)切換到ARM狀態(tài)。此外，在處理器進(jìn)行異常處理時(shí)，把PC指針?lè)湃氘惓ＤＪ芥溄蛹拇嫫髦?，并從異常向量地址開始執(zhí)行程序，也可以使處理器切換到ARM狀態(tài)。[異常處理的時(shí)候]

2.2 ARM體系結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器格式

ARM體系結(jié)構(gòu)將存儲(chǔ)器看作是從零地址開始的字節(jié)的線性組合。從零字節(jié)到三字節(jié)放置第一個(gè)存儲(chǔ)的字?jǐn)?shù)據(jù)，從第四個(gè)字節(jié)到第七個(gè)字節(jié)放置第二個(gè)存儲(chǔ)的字?jǐn)?shù)據(jù)，依次排列。作為32位的微處理器，ARM體系結(jié)構(gòu)所支持的最大尋址空間為4GB（232字節(jié)）。

ARM體系結(jié)構(gòu)可以用兩種方法存儲(chǔ)字?jǐn)?shù)據(jù)，稱之為大端格式和小端格式，具體說(shuō)明如下：

大端格式：

在這種格式中，字?jǐn)?shù)據(jù)的高字節(jié)存儲(chǔ)在低地址中，而字?jǐn)?shù)據(jù)的低字節(jié)則存放在高地址中，如圖2.1所示：

小端格式：

與大端存儲(chǔ)格式相反，在小端存儲(chǔ)格式中，低地址中存放的是字?jǐn)?shù)據(jù)的低字節(jié)，高地址存放的是字?jǐn)?shù)據(jù)的高字節(jié)。如圖2.2所示：

2.3指令長(zhǎng)度及數(shù)據(jù)類型

ARM微處理器的指令長(zhǎng)度可以是32位（在ARM狀態(tài)下），也可以為16位（在Thumb狀態(tài)下）。

ARM微處理器中支持字節(jié)（8位）、半字（16位）、字（32位）三種數(shù)據(jù)類型，其中，字需要4字節(jié)對(duì)齊（地址的低兩位為0）、半字需要2字節(jié)對(duì)齊（地址的最低位為0）。

2.4處理器模式

ARM微處理器支持7種運(yùn)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(hù)模式

─數(shù)據(jù)訪問(wèn)終止模式(abt)： 當(dāng)數(shù)據(jù)或指令預(yù)取終止時(shí)進(jìn)入該模式，可用于虛擬存儲(chǔ)及存儲(chǔ)保護(hù)。

─系統(tǒng)模式（sys）：運(yùn)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(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。

ARM微處理器的運(yùn)行模式可以通過(guò)軟件改變，也可以通過(guò)外部中斷或異常處理改變。

大多數(shù)的應(yīng)用程序運(yùn)行在用戶模式下，當(dāng)處理器運(yùn)行在用戶模式下時(shí)，某些被保護(hù)的系統(tǒng)資源是不能被訪問(wèn)的。

除用戶模式以外，其余的所有6種模式稱之為非用戶模式，或特權(quán)模式（Privileged Modes）；其中除去用戶模式和系統(tǒng)模式以外的5種又稱為異常模式（Exception Modes），常用于處理中斷或異常，以及需要訪問(wèn)受保護(hù)的系統(tǒng)資源等情況。

2.5寄存器組織

ARM微處理器共有37個(gè)32位寄存器，其中31個(gè)為通用寄存器，6個(gè)為狀態(tài)寄存器。但是這些寄存器不能被同時(shí)訪問(wèn)，具體哪些寄存器是可編程訪問(wèn)的，取決微處理器的工作狀態(tài)及具體的運(yùn)行模式。但在任何時(shí)候，通用寄存器R14～R0、程序計(jì)數(shù)器PC、一個(gè)或兩個(gè)狀態(tài)寄存器都是可訪問(wèn)的。

2.5.1 ARM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：

─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。

R14也稱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。在非用戶模式（特權(quán)模式）下，則可訪問(wèn)到特定模式分組寄存器，圖2.3說(shuō)明在每一種運(yùn)行模式下，哪一些寄存器是可以訪問(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(lái)恢復(fù)CPSR。

由于用戶模式和系統(tǒng)模式不屬于異常模式，他們沒有SPSR，當(dāng)在這兩種模式下訪問(wèn)SPSR，結(jié)果是未知的。

2.5.2Thumb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。

2.5.3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圖2.6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。

條件碼標(biāo)志各位的具體含義如表2-1所示：

表2-1條件碼標(biāo)志的具體含義

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。

─中斷禁止位I、F：

I=1禁止IRQ中斷;

F=1禁止FIQ中斷。

─ T標(biāo)志位：該位反映處理器的運(yùn)行狀態(tài)。

對(duì)于ARM體系結(jié)構(gòu)v5及以上的版本的T系列處理器，當(dāng)該位為1時(shí)，程序運(yùn)行于Thumb狀態(tài)，否則運(yùn)行于ARM狀態(tài)。

對(duì)于ARM體系結(jié)構(gòu)v5及以上的版本的非T系列處理器，當(dāng)該位為1時(shí)，執(zhí)行下一條指令以引起為定義的指令異常；當(dāng)該位為0時(shí)，表示運(yùn)行于ARM狀態(tài)。

─運(yùn)行模式位M[4：0]：M0、M1、M2、M3、M4是模式位。這些位決定了處理器的運(yùn)行模式。具體含義如表2-2所示：

表2-2運(yùn)行模式位M[4：0]的具體含義

由表2-2可知，并不是所有的運(yùn)行模式位的組合都是有效地，其他的組合結(jié)果會(huì)導(dǎo)致處理器進(jìn)入一個(gè)不可恢復(fù)的狀態(tài)。

保留位

PSR中的其余位為保留位，當(dāng)改變PSR中的條件碼標(biāo)志位或者控制位時(shí)，保留位不要被改變，在程序中也不要使用保留位來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。保留位將用于ARM版本的擴(kuò)展。

2.6 異常（Exceptions）

當(dāng)正常的程序執(zhí)行流程發(fā)生暫時(shí)的停止時(shí)，稱之為異常，例如處理一個(gè)外部的中斷請(qǐng)求。在處理異常之前，當(dāng)前處理器的狀態(tài)必須保留，這樣當(dāng)異常處理完成之后，當(dāng)前程序可以繼續(xù)執(zhí)行。處理器允許多個(gè)異常同時(shí)發(fā)生，它們將會(huì)按固定的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行處理。

ARM體系結(jié)構(gòu)中的異常，與8位/16位體系結(jié)構(gòu)的中斷有很大的相似之處，但異常與中斷的概念并不完全等同。

2.6.1 ARM體系結(jié)構(gòu)所支持的異常類型

ARM體系結(jié)構(gòu)所支持的異常及具體含義如表2-3所示。

表2-3 ARM體系結(jié)構(gòu)所支持的異常

2.6.2對(duì)異常的響應(yīng)

當(dāng)一個(gè)異常出現(xiàn)以后，ARM微處理器會(huì)執(zhí)行以下幾步操作：

1、將下一條指令的地址存入相應(yīng)連接寄存器LR，以便程序在處理異常返回時(shí)能從正確的位置重新開始執(zhí)行。若異常是從ARM狀態(tài)進(jìn)入，LR寄存器中保存的是下一條指令的地址（當(dāng)前PC＋4或PC＋8，與異常的類型有關(guān)）；若異常是從Thumb狀態(tài)進(jìn)入，則在LR寄存器中保存當(dāng)前PC的偏移量，這樣，異常處理程序就不需要確定異常是從何種狀態(tài)進(jìn)入的。例如：在軟件中斷異常SWI，指令MOV PC，R14_svc總是返回到下一條指令，不管SWI是在ARM狀態(tài)執(zhí)行，還是在Thumb狀態(tài)執(zhí)行。

2、將CPSR到相應(yīng)的SPSR中。

3、根據(jù)異常類型，強(qiáng)制設(shè)置CPSR的運(yùn)行模式位。

4、強(qiáng)制PC從相關(guān)的異常向量地址取下一條指令執(zhí)行，從而跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的異常處理程序處。

還可以設(shè)置中斷禁止位，以禁止中斷發(fā)生。

如果異常發(fā)生時(shí)，處理器處于Thumb狀態(tài)，則當(dāng)異常向量地址加載入PC時(shí)，處理器自動(dòng)切換到ARM狀態(tài)。

ARM微處理器對(duì)異常的響應(yīng)過(guò)程用偽碼可以描述為：

R14_ = Return Link

SPSR_ = CPSR

CPSR[4:0] = Exception Mode Number

CPSR[5] = 0；當(dāng)運(yùn)行于ARM工作狀態(tài)時(shí)

If == Reset or FIQ then

；當(dāng)響應(yīng)FIQ異常時(shí)，禁止新的FIQ異常

CPSR[6] = 1

CPSR[7] = 1

PC = Exception Vector Address

2.6.3從異常返回

異常處理完畢之后，ARM微處理器會(huì)執(zhí)行以下幾步操作從異常返回：

1、將連接寄存器LR的值減去相應(yīng)的偏移量后送到PC中。

2、將SPSR回CPSR中。

3、若在進(jìn)入異常處理時(shí)設(shè)置了中斷禁止位，要在此清除。

可以認(rèn)為應(yīng)用程序總是從復(fù)位異常處理程序開始執(zhí)行的，因此復(fù)位異常處理程序不需要返回。

2.6.4各類異常的具體描述

FIQ（Fast Interrupt Request）

FIQ異常是為了支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸或者通道處理而設(shè)計(jì)的。在ARM狀態(tài)下，系統(tǒng)有足夠的私有寄存器，從而可以避免對(duì)寄存器保存的需求，并減小了系統(tǒng)上下文切換的開銷。

若將CPSR的F位置為1，則會(huì)禁止FIQ中斷，若將CPSR的F位清零，處理器會(huì)在指令執(zhí)行時(shí)檢查FIQ的輸入。注意只有在特權(quán)模式下才能改變F位的狀態(tài)。

可由外部通過(guò)對(duì)處理器上的nFIQ引腳輸入低電平產(chǎn)生FIQ。不管是在ARM狀態(tài)還是在Thumb狀態(tài)下進(jìn)入FIQ模式，F(xiàn)IQ處理程序均會(huì)執(zhí)行以下指令從FIQ模式返回：

SUBS PC,R14_fiq ,#4

該指令將寄存器R14_fiq的值減去4后，到程序計(jì)數(shù)器PC中，從而實(shí)現(xiàn)從異常處理程序中的返回，同時(shí)將SPSR_mode寄存器的內(nèi)容到當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器CPSR中。

IRQ（Interrupt Request）

IRQ異常屬于正常的中斷請(qǐng)求，可通過(guò)對(duì)處理器的nIRQ引腳輸入低電平產(chǎn)生，IRQ的優(yōu)先級(jí)低于FIQ，當(dāng)程序執(zhí)行進(jìn)入FIQ異常時(shí)，IRQ可能被屏蔽。

若將CPSR的I位置為1，則會(huì)禁止IRQ中斷，若將CPSR的I位清零，處理器會(huì)在指令執(zhí)行完之前檢查IRQ的輸入。注意只有在特權(quán)模式下才能改變I位的狀態(tài)。

不管是在ARM狀態(tài)還是在Thumb狀態(tài)下進(jìn)入IRQ模式，IRQ處理程序均會(huì)執(zhí)行以下指令從IRQ模式返回：

SUBS PC , R14_irq , #4

該指令將寄存器R14_irq的值減去4后，到程序計(jì)數(shù)器PC中，從而實(shí)現(xiàn)從異常處理程序中的返回，同時(shí)將SPSR_mode寄存器的內(nèi)容到當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器CPSR中。

ABORT（中止）

產(chǎn)生中止異常意味著對(duì)存儲(chǔ)器的訪問(wèn)失敗。ARM微處理器在存儲(chǔ)器訪問(wèn)周期內(nèi)檢查是否發(fā)生中止異常。

中止異常包括兩種類型：

─指令預(yù)取中止：發(fā)生在指令預(yù)取時(shí)。

─數(shù)據(jù)中止：發(fā)生在數(shù)據(jù)訪問(wèn)時(shí)。

當(dāng)指令預(yù)取訪問(wèn)存儲(chǔ)器失敗時(shí)，存儲(chǔ)器系統(tǒng)向ARM處理器發(fā)出存儲(chǔ)器中止（Abort）信號(hào)，預(yù)取的指令被記為無(wú)效，但只有當(dāng)處理器試圖執(zhí)行無(wú)效指令時(shí)，指令預(yù)取中止異常才會(huì)發(fā)生，如果指令未被執(zhí)行，例如在指令流水線中發(fā)生了跳轉(zhuǎn)，則預(yù)取指令中止不會(huì)發(fā)生。

若數(shù)據(jù)中止發(fā)生，系統(tǒng)的響應(yīng)與指令的類型有關(guān)。

當(dāng)確定了中止的原因后，Abort處理程序均會(huì)執(zhí)行以下指令從中止模式返回，無(wú)論是在ARM狀態(tài)還是Thumb狀態(tài)：

SUBS PC, R14_abt, #4；指令預(yù)取中止

SUBS PC, R14_abt, #8；數(shù)據(jù)中止

以上指令恢復(fù)PC（從R14_abt）和CPSR（從SPSR_abt）的值，并重新執(zhí)行中止的指令。

Software Interruupt(軟件中斷)

軟件中斷指令（SWI）用于進(jìn)入管理模式，常用于請(qǐng)求執(zhí)行特定的管理功能。軟件中斷處理程序執(zhí)行以下指令從SWI模式返回，無(wú)論是在ARM狀態(tài)還是Thumb狀態(tài)：

MOV PC , R14_svc

以上指令恢復(fù)PC（從R14_svc）和CPSR（從SPSR_svc）的值，并返回到SWI的下一條指令。

Undefined Instruction(未定義指令)

當(dāng)ARM處理器遇到不能處理的指令時(shí)，會(huì)產(chǎn)生未定義指令異常。采用這種機(jī)制，可以通過(guò)軟件仿真擴(kuò)展ARM或Thumb指令集。

在仿真未定義指令后，處理器執(zhí)行以下程序返回，無(wú)論是在ARM狀態(tài)還是Thumb狀態(tài)：

MOVS PC, R14_und

以上指令恢復(fù)PC（從R14_und）和CPSR（從SPSR_und）的值，并返回到未定義指令后的下一條指令。

2.6.5異常進(jìn)入/退出小節(jié)

表2-4總結(jié)了進(jìn)入異常處理時(shí)保存在相應(yīng)R14中的PC值，及在退出異常處理時(shí)推薦使用的指令。

表2-4異常進(jìn)入/退出

注意：

1、在此PC應(yīng)是具有預(yù)取中止的BL/SWI/未定義指令所取的地址。

2、在此PC是從FIQ或IRQ取得不能執(zhí)行的指令的地址。

3、在此PC是產(chǎn)生數(shù)據(jù)中止的加載或存儲(chǔ)指令的地址。

4、系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，保存在R14_svc中的值是不可預(yù)知的。

2.6.6異常向量（Exception Vectors）

表2-5顯示異常向量地址。

表2-5異常向量表

2.6.7異常優(yōu)先級(jí)（Exception Priorities）

當(dāng)多個(gè)異常同時(shí)發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)固定的優(yōu)先級(jí)決定異常的處理次序。異常優(yōu)先級(jí)由高到低的排列次序如表2-6所示。

表2-6異常優(yōu)先級(jí)

2.6.8應(yīng)用程序中的異常處理

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，異?？赡軙?huì)隨時(shí)發(fā)生，為保證在ARM處理器發(fā)生異常時(shí)不至于處于未知狀態(tài)，在應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)中，首先要進(jìn)行異常處理，采用的方式是在異常向量表中的特定位置放置一條跳轉(zhuǎn)指令，跳轉(zhuǎn)到異常處理程序，當(dāng)ARM處理器發(fā)生異常時(shí)，程序計(jì)數(shù)器PC會(huì)被強(qiáng)制設(shè)置為對(duì)應(yīng)的異常向量，從而跳轉(zhuǎn)到異常處理程序，當(dāng)異常處理完成以后，返回到主程序繼續(xù)執(zhí)行。

2.7本章小節(jié)

本章對(duì)ARM微處理器的體系結(jié)構(gòu)、寄存器的組織、處理器的工作狀態(tài)、運(yùn)行模式以及處理器異常等內(nèi)容進(jìn)行了描述，這些內(nèi)容也是ARM體系結(jié)構(gòu)的基本內(nèi)容，是系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。