ARM的一些架构常识

    ARM处理器状态

第一种为ARM状态，此时处理器执行32位的字对齐的ARM指令；第二种为Thumb状态，此时处理器执行16位的、半字对齐的Thumb指令。在程序的执行过程中，微处理器可以随时在两种工作状态之间切换，并且，处理器工作状态的转变并不影响处理器的工作模式和相应寄存器中的内容。但ARM微处理器在开始执行代码时，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。此外，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。

进入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。此外，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。

ARM处理器模式

用户模式(usr)：ARM处理器正常的程序执行状态。

快速中断模式(fiq)：用于高速数据传输或通道处理。

外部中断模式(irq)：用于通用的中断处理。

管理模式(svc)：操作系统使用的保护模式。

数据访问终止模式(abt)：当数据或指令预取终止时进入该模式，可用于虚拟存储及存储保护。

系统模式(sys)：运行具有特权的操作系统任务。

未定义指令中止模式(und)：当未定义的指令执行时进入该模式，可用于支持硬件协处理器的软件仿真。

ARM微处理器的运行模式可以通过软件改变，也可以通过外部中断或异常处理改变。大多数的应用程序运行在用户模式下，当处理器运行在用户模式下时，某些被保护的系统资源是不能被访问的；除用户模式以外，其余的所有6种模式称之为非用户模式，或特权模式；其中除去用户模式和系统模式以外的5种又称为异常模式，常用于处理中断或异常，以及需要访问受保护的系统资源等情况。

 ARM寄存器

ARM共有37个32位寄存器,其中31个为通用寄存器,6个为状态寄存器.这些寄存器不能被同时访问,但在任何时候,通用寄存器R0~R14,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3类:
(1)未分组寄存器R0~R7
(2)分组寄存器R8~R14
(3)程序计数器PC(R15)
ARM寄存器介绍
1.未分组寄存器R0~R7
在所有运行模式下,未分组寄存器都指向同一个物理寄存器,它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,所以可能造成寄存器中数据的破坏.
2.分组寄存器R8~R14
对于分组寄存器,它们每一次所访问的物理寄存器都与当前处理器的运行模式有关.对于R8~R12来说,每个寄存器对应2个不同的物理寄存器,当使用FIQ(快速中断模式)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.
对于R13,R14来说,每个寄存器对应6个不同的物理寄存器,其中一个是用户模式与系统模式共用,另外5个物理寄存器对应其他5种不同的运行模式,并采用以下记号来区分不同的物理寄存器:
R13_
R14_
其中mode可为:usr,fiq,irq,svc,abt,und.
寄存器R13在ARM指令中常用作堆栈指针,用户也可使用其他的寄存器作为堆栈指针,而在Thumb指令集中,某些指令强制性的要求使用R13作为堆栈指针.
寄存器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。而在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，在用户应用程序的初始化部分，一般都要初始化每种模式下的R13，使其指向该运行模式的栈空间。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，采用这种方式可以保证异常发生后程序的正常执行。
R14称为链接寄存器(Link Register),当执行子程序调用指令(BL)时,R14可得到R15(程序计数器PC)的备份.
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的当前值复制给R14，执行完子程序后，又将R14的值复制回PC，即可完成子程序的调用返回。以上的描述可用指令完成。
执行以下任意一条指令：
MOV PC, LR
BX LR
在子程序入口处使用以下指令将R14存入堆栈：
STMFD SP！,{,LR}
对应的，使用以下指令可以完成子程序返回：
LDMFD SP！,{,PC}
R14也可作为通用寄存器。
3,程序计数器PC(R15)
寄存器R15用作程序计数器(PC),在ARM状态下,位[1:0]为0,位[31:2]用于保存PC,在Thumb状态下,位[0]为0,位[31:1]用于保存PC.
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的值为当前指令的地址值加8个字节
程序状态寄存器
4，寄存器R16
寄存器R16用作CPSR(Current
Program Status Register，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(Saved Program Status Register，备份的程序状态寄存器)，当异常发生时，SPSR用于保存CPSR的当前值，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，它们没有SPSR，当在这两种模式下访问SPSR，结果是未知的

   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。当一个异常出现以后，ARM微处理器会执行以下几步操作：

进入异常处理的基本步骤：

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。如果异常发生时，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：

R14_ = Return Link

SPSR_= CPSR

CPSR[4:0] = Exception Mode Number

CPSR[5] = 0 ；当运行于 ARM 工作状态时

If == Reset or FIQ then；当响应 FIQ 异常时，禁止新的 FIQ 异常

CPSR[6] = 1

PSR[7] = 1

PC = Exception Vector Address

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。