当谈论ARM架构时，至少该谈点什么？

我认为以下几点应该被谈到。

1、RISC

2、ARM指令和Thumb指令，ARM状态和Thumb状态

3、处理器模式

4、寄存器

5、寻址模式

6、指令集

7、异常

8、存储器系统

接下来，具体谈谈。

1、RISC

RISC(精简指令集计算机)是相对于CISC（负载指令集计算机）而来的。根据统计，在计算机程序运行时，有20%的指令被反复使用，约占整个程序的80%，而80%的指令用使用很少，占整个程序的80%，这就是所谓的2-8定律。

使用RISC结果的好处如下：

• a large uniform register file（提供31个通用的32位寄存器，而且在任何时候，都有16个是可见的，后面在寄存器处会详细讲解）

• a load/store architecture, where data-processing operations only operate on register contents, not directly on memory contents（数据处理的指令只能对寄存器的内容操作。加载和存储的不同是什么？加载是从内存到寄存器，存储是从寄存器到内存。）

• simple addressing modes, with all load/store addresses being determined from register contents and instruction fields only（只用加载/存储指令可以访问存储器。）

• uniform and fixed-length instruction fields, to simplify instruction decode.

而ARM架构CPU就是采用RISC结构。

2、ARM状态和Thumb状态

ARM体系结构v4T及以上版本定义了Thumb指令集。Thumb指令集是16位指令集，其功能是32位ARM指令集的功能子集。

使用ARM指令集时为ARM状态，使用Thumb指令集时为Thumb状态。

3、处理器模式

ARM体系支持7种模式，每种模式能够访问的寄存器是不同的。

表1为7种处理模式概述：

表1：处理器模式

其中Mode number是每种模式相应的寄存器设置值。

4、寄存器

上面谈到7种不同的处理器模式，在不同的处理器模式下，可以访问的寄存器不同。

ARM架构处理器有37个32位的寄存器，其中31个一般功能寄存器，包括程序计数器。

6个32位的状态寄存器，根据不同处理器模式使用不同的状态寄存器。表2为寄存器的部署情况。

表2：ARM寄存器部署

关于37个寄存器的具体：

8（未分组寄存器：R0-R7，共8个）+5（分组寄存器R8-R14，其中FIQ模式下有单独的一组R8-R12共5个）

+5（另外6种模式共用一组R8-R12，共5个）+2（USR和SYS模式共用一组R13-R14，共2个）+10（另外5种模式下各有独自的一组R13-R14，共10个）+1（程序计数器PC即R15寄存器，共1个）+6（状态寄存器CPSR，和5个备份状态寄存器SPSR，共6个）

同表3中可以更为具体的看出各处理器可访问的寄存器。

表3

在37个寄存器中包括通用寄存器+程序状态寄存器

其中通用寄存器包括：

1、不分组寄存器R0-R7

2、分组寄存器 R8-R14

3、程序计数器R15

程序状态寄存器包括：

CPSR（当前程序状态寄存器）+SPSR（程序状态保存寄存器），在进入异常状态是先将CPSR的数据保存到SPSR中，将PC的值保存到R14中。

表4为CPSR和SPSR的结构：

表4

其中的M[4:0]控制处理器的模式，控制结果参考表3.

Thumb状态下寄存器集是ARM状态下寄存器集的子集，可以直接访问8个通用寄存器（R0-R7）,PC,SP,LP和CPSR，每一种特权模式都有一组SP,LP和SPSR。如表5所示：

ARM状态与Thumb状态下的对应关系如表6

在Thumb状态下，高位寄存器访问受限，但可以用来作为快速暂存存储器。

5、寻址模式

5.1 立即数寻址 （操作数就是立即数本身，最快）

5.2 寄存器寻址

5.3 寄存器间接寻址（用到间接，联想C语言里面的指针）

5.4寄存器基址变址寻址（其实寄存器间接寻址，就是基址变址中的变址为0）

5.5寄存器偏移寻址

5.6多寄存器寻址

5.7相对寻址

5.8堆栈寻址

5.9块拷贝寻址

这里推荐两篇博文

1.ARM汇编之寻址方式

2.ARM寻址方式

6、指令集

包括ARM指令集和Thumb指令集，这部分了解即可，平时使用C编写程序较多。

其中ARM指令主要包括

1存储器访问指令

2数据处理指令

3分支指令

以及协处理指令，杂项指令和伪指令。

Thumb指令与ARM指令有不同点，比如没有协处理器指令，信号量指令以及访问CPSR或SPSR指令。

7、异常

异常：由内部或者外部源产生以引起处理器处理一个事件。ARM支持7类异常，当异常发生时，强制从异常类型对应的异常向量处开始执行。

ARM的7类异常如表7

表7

下面看一个复位异常发生是的代码

当异常发生时，R14和SPSR用于保存当前状态，然后进入管理模式，然后设置CPSR相关状态位，然后从复位向量地址开始执行，参考表7，可以查阅各种异常的异常向量。

总结

异常发生时进入的处理过程：

1、将下一条指令的地址保存到相应的LR寄存器中；

2、将CPRS复制到相应的SPSR中；

3、迫使CPSR模式为设置成取决于异常的值

4、迫使PC从相关的异常向量中取下一条指令

总结异常发生时退出的处理过程：

1、将LR寄存器的值减去相应的偏移量，送到PC中；

2、将SPSR复制回CPSR中；

8、存储器系统

表8为ARM架构存储器等级图

下面看一下Cortex-M3内核的存储器系统

给出几个参考图

M3内核的参考架构 图1

M3总线架构参考 图2

应用架构（CC3200，M4架构（Cortex-M3和M4相比，M4有浮点数运算单元和SIMD指令（DSP）（可以加快一些数学运算的速度），都有功能较强的中断控制器））图3

图1

图2

图3

可以发现,接入内核的主要是内核 I 总线（指令总线）、D 总线（数据总线）和 S 总线（外设和SRAM）

此处可参考博文：深入理解STM32之储存器和总线架构1（基于STM32F411）

参考：

1、ARM嵌入式处理器结构与应用基础 马忠梅

2、ARM Architecture Reference Manual

3、Cortex-M3权威指南 宋岩

4.http://www.cnblogs.com/laojie4321/archive/2012/04/05/2432372.html

5、http://blog.csdn.net/tigerjibo/article/details/6050649