ARM编程模型

1. ARM处理器的工作状态

1)从编程的角度看，ARM微处理器的工作状态一般有两种，并可在两种状态之间切换：
    • ARM状态：此时处理器执行32位的字对齐的ARM指令；
    • Thumb状态：此时处理器执行16位的、半字对齐的Thumb指令。

2) Thumb和ARM

     THUMB指令是ARM指令的子集，可以相互调用，只要遵循一定的调用规则，Thumb指令与ARM指令的时间效率和空间效率关系为:
     • 存储空间约为ARM代码的60％～70％
     • 指令数比ARM代码多约30％～40％
     • 存储器为32位时ARM代码比Thumb代码快约40％
     • 存储器为16位时Thumb比ARM代码快约40～50％
     • 使用Thumb代码，存储器的功耗会降低约30％

3. 状态切换方法 
     ARM指令集和Thumb指令集均有切换处理器状态的指令，并可在两种工作状态之间切换，在开始执行代码时，应该处于ARM状态。

    • 进入Thumb状态
       当操作数寄存器的状态位（位0）为1时，可以采用执行BX指令的方法，使微处理器从ARM状态切换到Thumb状态。当处理器处于Thumb状态时发生异常（如IRQ、FIQ、Undef、Abort、SWI等），则异常处理返回时，自动切换到Thumb状态。
    • 切换到ARM状态
      当操作数寄存器的状态位为0时，执行BX指令时可以使微处理器从Thumb状态切换到ARM状态。在处理器进行异常处理时，把PC指针放入异常模式链接寄存器中，并从异常向量地址开始执行程序，也可以使处理器切换到ARM状态。 

2. ARM处理器的工作模式

 ARM有以下7种工作模式：

  • usr：ARM处理器正常的程序执行状态
  • fiq：用于高速数据传输或通道处理
  • irq：用于通用的中断处理
  • svc：操作系统使用的保护模式
  • abt：用于虚拟存储及存储保护
  • und：当出现未定义指令终止时进入该模式
  • sys：运行具有特权的操作系统任务

 2.1 用户模式和特权模式

    • 除了用户模式之外的其他6种处理器模式称为特权模式，特权模式中，除系统模式外，其他5种模式又称为异常模式。
    • 特权模式下，程序可以访问所有的系统资源，也可以任意地进行处理器模式的切换。
    • 大多数的用户程序运行在用户模式下，此时，应用程序不能够访问一些受操作系统保护的系统资源，应用程序也不能直接进行处理器模式的切换。用户模式下，当需要进行处理器模式切换时，应用程序可以产生异常处理(如SWI)，在异常处理中进行处理器模式的切换。

2.2 模式切换

    • 处理器模式可以通过软件进行切换，也可以通过外部中断或者异常处理过程进行切换。
    • 当应用程序发生异常中断时，处理器进入相应的异常模式。在每一种异常模式下都有一组寄存器，供相应的异常处理程序使用，这样就可以保证在进入异常模式时，用户模式下的寄存器不被破坏。
    • 系统模式并不是通过异常进入的，它和用户模式具有完全一样的寄存器。但是系统模式属于特权模式，可以访问所有的系统资源，也可以直接进行处理器模式切换。它主要供操作系统任务使用。通常操作系统的任务需要访问所有的系统资源，同时该任务仍然使用用户模式的寄存器组，而不是使用异常模式下相应的寄存器组，这样可以保证当异常中断发生时任务状态不被破坏。  

3. ARM处理器的存储器格式

    ARM体系结构所支持的最大寻址空间为4GB（232字节）
    ARM体系结构将存储器看作是从零地址开始的字节的线性组合。从零字节到三字节放置第一个存储的字数据，从第四个字节到第七个字节放置第二个存储的字数据，依次排列。ARM体系结构可以用两种方法存储字数据，称之为大端格式和小端格式。

 3.1 大端格式

    在这种格式中，字数据的高字节存储在低地址中，而字数据的低字节则存放在高地址中。

 3.2 小端格式

    与大端存储格式相反，在小端存储格式中，低地址中存放的是字数据的低字节，高地址存放的是字数据的高字节。

3.3 指令长度及数据类型

     ARM微处理器的指令长度可以是32位（在ARM状态下），也可以为16位（在Thumb状态下）。
     ARM微处理器中支持字节（8位）、半字（16位）、字（32位）三种数据类型，其中，字需要4字节对齐（地址的低两位为0）、半字需要2字节对齐（地址的最低位为0）。  

4. ARM 处理器的寄存器组织

     ARM微处理器共有37个32位物理寄存器，其中31个为通用寄存器，6个为状态寄存器。但是这些寄存器不能被同时访问，具体哪些寄存器是可编程访问的，取决微处理器的工作状态及具体的运行模式。但在任何时候，通用寄存器R14～R0、程序计数器PC、一个或两个状态寄存器都是可访问的。

     通用寄存器：通用寄存器包括R0～R15，可以分为三类：

     • 未分组寄存器R0～R7
     • 分组寄存器R8～R14
     • 程序计数器PC(R15)

 

 

4.1 未分组寄存器R0～R7 (8个物理寄存器)

      在所有的运行模式下，未分组寄存器都指向同一个物理寄存器，他们未被系统用作特殊的用途，因此，在中断或异常处理进行运行模式转换时，由于不同的处理器运行模式均使用相同的物理寄存器，可能会造成寄存器中数据的破坏，这一点在进行程序设计时应引起注意。

4.2 分组寄存器R8～R12 (5x2=10个物理寄存器)

     每次所访问的物理寄存器与处理器当前的运行模式有关，R8～R12：每个寄存器对应两个不同的物理寄存器：
     • 当使用fiq模式时，访问寄存器R8_fiq～R12_fiq；
     • 当使用除fiq模式以外的其他模式时，访问寄存器R8_usr～R12_usr。 

4.3 分组寄存器R13～R14 (2x6=12 个物理寄存器)

      R13、R14：每个寄存器对应6个不同的物理寄存器，其中的一个是用户模式与系统模式共用，另外5个物理寄存器对应于其他5种不同的运行模式。采用以下的记号来区分不同的物理寄存器：
     • R13_<mode>
     • R14_<mode>
     mode为以下几种之一：usr、fiq、irq、svc、abt、und。

4.3.1 堆栈指针—R13

      R13在ARM指令中常用作堆栈指针，但这只是一种习惯用法，用户也可使用其他的寄存器作为堆栈指针。在Thumb指令集中，某些指令强制性的要求使用R13作为堆栈指针。由于处理器的每种运行模式均有自己独立的物理寄存器R13，在初始化部分，都要初始化每种模式下的R13，这样，当程序的运行进入异常模式时，可以将需要保护的寄存器放入R13所指向的堆栈，而当程序从异常模式返回时，则从对应的堆栈中恢复。

4.3.2 子程序连接寄存器—R14

     R14也称作子程序连接寄存器或连接寄存器LR。当执行BL子程序调用指令时，可以从R14中得到R15（程序计数器PC）的备份。其他情况下，R14用作通用寄存器。
     在每一种运行模式下，都可用R14保存子程序的返回地址，当用BL或BLX指令调用子程序时，将PC的当前值拷贝给R14，执行完子程序后，又将R14的值拷贝回PC，即可完成子程序的调用返回。
BL SUB1
 ……
 SUB1: STMFD SP!, {<regs>, LR} /*将R14存入堆栈*/
 ……
 LDMFD SP！,{<regs>,PC}/*完成子程序返回 */

4.4 程序计数器PC(R15) (1个物理寄存器)

       • ARM状态下，位[1:0]为0，位[31:2]用于保存PC；
       • Thumb状态下，位[0]为0，位[31:1]用于保存PC；
       • R15虽然也可用作通用寄存器，但一般不这么使用，因为对R15的使用有一些特殊的限制，当违反了这些限制时，程序的执行结果是未知的。
        由于ARM体系结构采用了多级流水线技术，对于ARM指令集而言，PC总是指向当前指令的下两条指令的地址，即PC的值为当前执行指令的地址值加8个字节。

4.5 程序状态寄存器(CPSR/SPSR) (6个物理寄存器：1个CPSR+5个SPSR)

      寄存器R16用作CPSR(当前程序状态寄存器)，CPSR可在任何运行模式下被访问，它包括条件标志位、中断禁止位、当前处理器模式标志位，以及其他一些相关的控制和状态位。

      每一种运行模式下又都有一个专用的物理状态寄存器，称为SPSR（备份的程序状态寄存器），异常发生时，SPSR用于保存CPSR的值，从异常退出时则可由SPSR来恢复CPSR。

      由于用户模式和系统模式不属于异常模式，他们没有SPSR，当在这两种模式下访问SPSR，结果是未知的。

4.6 Thumb状态下的寄存器

      Thumb状态下的寄存器集是ARM状态下寄存器集的一个子集，程序可以直接访问8个通用寄存器（R0～R7）、程序计数器（PC）、堆栈指针（SP）、连接寄存器（LR）和CPSR。同样，每一种特权模式下都有一组SP、LR和SPSR。Thumb状态下的寄存器与ARM状态下的寄存器关系如下图所示：

       在Thumb状态下，高位寄存器R8～R15并不是标准寄存器集的一部分，但可使用汇编语言程序受限制的访问这些寄存器，将其用作快速的暂存器。使用带特殊变量的MOV指令，数据可以在低位寄存器和高位寄存器之间进行传送；高位寄存器的值可以使用CMP和ADD指令进行比较或加上低位寄存器中的值。

4.7 程序状态寄存器

        ARM体系结构包含一个当前程序状态寄存器（CPSR）和五个备份的程序状态寄存器（SPSRs）。备份的程序状态寄存器用来进行异常处理，其功能包括:
       • 保存ALU中的当前操作信息
       • 控制允许和禁止中断
       • 设置处理器的运行模式

4.7.1 条件码标志

        N、Z、C、V均为条件码标志位。它们的内容可被算术或逻辑运算的结果所改变，并且可以决定某条指令是否被执行。
       • 在ARM状态下，绝大多数的指令都是有条件执行的。
       • 在Thumb状态下，仅有分支指令是有条件执行的。 

      影响标志位的指令如下表：

标志位      含义N当用两个补码表示的带符号数进行运算时，N=1 表示运算的结果为负数；N=0 表示运算的结果为正数或零ZZ=1 表示运算的结果为零；Z=0表示运算的结果为非零C加法运算结果进位时，C=1，减法运算借位时，C=0； 移位操作的非加/减运算指令，C为移出的最后一位； 其他的非加/减运算指令，C的值通常不改变V加/减法运算指令，V=1表示符号位溢出。对于其他的非加/减运算指令，C的值通常不改变Q在ARM v5及以上版本的E系列处理器中，Q标志指示DSP运算指令是否溢出。在其他版本中，Q标志位无定义

4.7.2 控制位

      状态寄存器的低8位（I、F、T和M[4：0]）称为控制位，发生异常时这些位可以被改变。如果处理器运行特权模式，这些位也可以由程序修改。
    •中断禁止位I、F：
         • I=1   禁止IRQ中断;
         • F=1   禁止FIQ中断。
    •T标志位：该位反映处理器的运行状态
         • ARM体系结构v5及以上的版本的T系列处理器，当该位为1时，程序运行于Thumb状态，否则运行于ARM状态。
         • ARM体系结构v5及以上的版本的非T系列处理器，当该位为1时，执行下一条指令以引起为定义的指令异常；  当该位为0时，表示运行于ARM状态。
    •运行模式位M[4：0]是模式位，决定处理器的运行模式 

 

5. ARM 异常处理

        当正常的程序执行流程发生暂时的停止时，称之为异常。例如处理一个外部的中断请求。在处理异常之前，当前处理器的状态必须保留，这样当异常处理完成之后，当前程序可以继续执行。处理器允许多个异常同时发生，它们将会按固定的优先级进行处理。
       ARM体系结构中的异常，与8位/16位体系结构的中断有很大的相似之处，但异常与中断的概念并不完全等同。

      ARM体系结构所支持的异常类型：

 

5.1 对异常的响应

     当一个异常出现以后，ARM微处理器会执行以下几步操作：
      • 将下一条指令的地址存入相应连接寄存器LR，以便程序在处理异常返回时能从正确的位置重新开始执行。
      • 将CPSR复制到相应的SPSR中。
      • 根据异常类型，强制设置CPSR的运行模式位。
      • 强制PC从相关的异常向量地址取下一条指令执行，从而跳转到相应的异常处理程序处。 

        处理器处于Thumb状态，则当异常向量地址加载入PC时，处理器自动切换到ARM状态。ARM微处理器对异常的响应过程用伪码可以描述为：

[cpp] view plain copy

1. R14_<Exception_Mode> = Return Link  
2. SPSR_<Exception_Mode> = CPSR  
3. CPSR[4:0] = Exception Mode Number  
4. CPSR[5] = 0   // 在ARM状态下执行  
5. If <Exception_Mode> == Reset or FIQ then  
6. CPSR[6] = 1   // 禁止FIQ    
7. CPSR[7] = 1   // 禁止IRQ  
8. PC = Exception Vector Address // 转入异常入口地址  

5.2 从异常返回

   异常处理完毕之后，ARM微处理器会执行以下几步操作从异常返回： 
    • 将连接寄存器LR的值减去相应的偏移量后送到PC中。
    • 将SPSR复制回CPSR中。
    • 若在进入异常处理时设置了中断禁止位，要在此清除。
    • 可以认为应用程序总是从复位异常处理程序开始执行的，因此复位异常处理程序不需要返回。

5.2.1 FIQ (Fast Interrupt Request)

     FIQ异常是为了支持数据传输或者通道处理而设计的。
     若将CPSR的F位置为1，则会禁止FIQ中断，若将CPSR的F位清零，处理器会在指令执行时检查FIQ的输入。注意只有在特权模式下才能改变F位的状态。
     可由外部通过对处理器上的nFIQ引脚输入低电平产生FIQ。不管是在ARM状态还是在Thumb状态下进入FIQ模式，FIQ处理程序均可以执行以下指令从FIQ模式返回：
     SUBS   PC,R14_fiq ,#4

5.2.2 IRQ (Interrupt Request)

        IRQ异常属于正常的中断请求，可通过对处理器的nIRQ引脚输入低电平产生，IRQ的优先级低于FIQ，当程序执行进入FIQ异常时，IRQ可能被屏蔽。
       若将CPSR的I位置为1，则会禁止IRQ中断，若将CPSR的I位清零，处理器会在指令执行完之前检查IRQ的输入。注意只有在特权模式下才能改变I位的状态。
       不管是在ARM状态还是在Thumb状态下进入IRQ模式，IRQ处理程序均可以执行以下指令从IRQ模式返回：
       SUBS  PC , R14_irq , #4

5.2.3 ABORT(中止)

       产生中止异常意味着对存储器的访问失败。ARM微处理器在存储器访问周期内检查是否发生中止异常。
       中止异常包括两种类型：
            • 指令预取中止：发生在指令预取时。
            • 数据中止：发生在数据访问时。
       当指令预取访问存储器失败时，存储器系统向ARM处理器发出存储器中止（Abort）信号，预取的指令被记为无效，但只有当处理器试图执行无效指令时，指令预取中止异常才会发生，如果指令未被执行，例如在指令流水线中发生了跳转，则预取指令中止不会发生。
       若数据中止发生，系统的响应与指令的类型有关。
       当确定了中止的原因后，Abort处理程序均可以执行以下指令从中止模式返回，无论是在ARM状态还是Thumb状态：
       SUBS PC, R14_abt, #4  ；指令预取中止
       SUBS PC, R14_abt, #8  ；数据中止

5.2.4 Software Interruupt(软件中断)

       软件中断指令（SWI）用于进入管理模式(svc)，常用于请求执行特定的管理功能。软件中断处理程序执行以下指令可以从SWI模式返回，无论是在ARM状态还是Thumb状态：
       MOVS  PC , R14_svc
       以上指令恢复PC（从R14_svc）和CPSR（从SPSR_svc） 的值，并返回到SWI的下一条指令。

5.2.5 Undefined Instruction(未定义指令)

     当ARM处理器遇到不能处理的指令时，会产生未定义指令异常。采用这种机制，可以通过软件仿真扩展ARM或Thumb指令集。
     处理器执行以下程序返回，无论是在ARM状态还是Thumb状态：
     MOVS PC, R14_und
     以上指令恢复PC（从R14_und）和CPSR（从SPSR_und）的值，并返回到未定义指令后的下一条指令。

 5.2.6 异常向量表(Exception Vectors)

5.2.7 异常优先级(Exception Priorities)

 

5.2.8 应用程序中的异常处理

       当系统运行时，异常可能会随时发生，为保证在ARM处理器发生异常时不至于处于未知状态，在应用程序的设计中，首先要进行异常处理，采用的方式是在异常向量表中的特定位置放置一条跳转指令，跳转到异常处理程序，当ARM处理器发生异常时，程序计数器PC会被强制设置为对应的异常向量，从而跳转到异常处理程序，当异常处理完成以后，返回到主程序继续执行。

      我们需要处理所有的异常，尽管我们可以简单的在某些异常处理程序处放置死循环。