ARM處理器的寄存器，ARM與Thumb狀態，7中運行模式

  ** ARM處理器的寄存器，ARM與Thumb狀態，7中運行模式 

分類： 嵌入式

 

ARM處理器工做模式一共有 7 種 ：

USR  模式
    正經常使用戶模式，程序正常執行模式

FIQ模式(Fast Interrupt Request)
     處理快速中斷，支持高速數據傳送或通道處理

IRQ模式
     處理普通中斷

SVC模式（Supervisor）
     操做系統保護模式，處理軟件中斷swi  reset

 

ABT  停止（Abort mode）{數據、指令}
    處理存儲器故障、實現虛擬存儲器和存儲器保護

UND 未定義（Undefined）
    處理未定義的指令陷阱，支持硬件協處理器的軟件仿真

SYS 系統模式(基本上=USR)（System）
    運行特權操做系統任務

 

用戶模式和特權模式

除了用戶模式以外的其餘6種處理器模式稱爲特權模式

 特權模式下，程序能夠訪問全部的系統資源，也能夠任意地進行處理器模式的切換。

特權模式中，除系統模式外，其餘5種模式又稱爲異常模式。

大多數的用戶程序運行在用戶模式下，此時，應用程序不可以訪問一些受操做系統保護的系統資源，應用程序也不能直接進行處理器模式的切換。

 用戶模式下，當須要進行處理器模式切換時，應用程序能夠產生異常處理，在異常處理中進行處理器模式的切換。

 

ARM處理的工做狀態

 

在 ARM 處理器中，內核同時支持 32 位的 ARM 指令 和 16 位的 Thumb 指令。

對於 ARM 指令來講，全部的指令長度都是 32 位，而且執行週期大多爲單週期，指令都是有條件執行的。

而 THUMB 指令的特色以下：

        1，指令執行條件常常不回使用。

        2，源寄存器與目標寄存器常常是相同的。

        3，使用的寄存器數量比較少。

        4，常數的值比較小。

        5，內核中的桶式移動器（barrel shifter）常常是不使用的。

也就是說 16 位的 Thumb 指令通常能夠完成 和 32 位 ARM 指令相同的任務。

ARM指令和 THUMB指令的關係：

THUMB指令是ARM指令的子集
能夠相互調用，只要遵循必定的調用規則
Thumb指令與ARM指令的時間效率和空間效率關係爲:
        存儲空間約爲ARM代碼的60％～70％
        指令數比ARM代碼多約30％～40％
        存儲器爲32位時ARM代碼比Thumb代碼快約40％
        存儲器爲16位時Thumb比ARM代碼快約40～50％
        使用Thumb代碼，存儲器的功耗會下降約30％

ARM指令和 THUMB指令之間切換（Interworking）的基本概念和切換時的子函數調用

 處理器模式能夠經過軟件進行切換，也能夠經過外部中斷或者異常處理過程進行切換。

當應用程序發生異常中斷時，處理器進入相應的異常模式。在每一種異常模式下都有一組寄存器，供相應的異常處理程序使用，這樣就能夠保證在進入異常模式時，用戶模式下的寄存器不被破壞。

 系統模式並非經過異常進入的，它和用戶模式具備徹底同樣的寄存器。可是系統模式屬於特權模式，能夠訪問全部的系統資源，也能夠直接進行處理器模式切換。它主要供操做系統任務使用。一般操做系統的任務須要訪問全部的系統資源，同時該任務仍然使用用戶模式的寄存器組，而不是使用異常模式下相應的寄存器組，這樣能夠保證當異常中斷髮生時任務狀態不被破壞。

 

Thumb指令低密度及窄存儲器時性能高的特色使得其在大多數基於 C 代碼的系統匯中有很是普遍的應用，可是有些場合中系統只能使用 ARM 指令，好比：

    1，若是對於速度有比較高的要求，ARM指令在寬存儲器中會提供更高的性能。

    2，某些功能只能由 ARM 指令來實現，好比：

            訪問 CPSR 寄存器來 使能/禁止 中斷或改變處理器工做模式；

            訪問協處理器CP15；

            執行 C 代碼不支持的 DSP 算術指令；

            異常中斷（Exception）處理。在進入異常中斷後，內核自動切換到 ARM 狀態。即在異常中斷處理程序人口的一些指令是ARM指令，而後根據須要，程序能夠切換到 Thumb 工做狀態，在異常中斷處理程序返回前，程序在切換到 ARM 工做狀態。

注：當處理器處於Thumb狀態時發生異常（如IRQ、FIQ、Undef、Abort、SWI等），則異常處理返回時，自動切換到Thumb狀態。

            ARM 處理器老是 從 ARM 工做狀態開始執行的。所以，若是要在調試器重運行 Thumb 程序，必須爲 該 Thumb 程序添加一個 ARM程序頭，而後再切換到Thumb工做狀態，調用該 Thumb程序。

           

 

在實際系統中，內核狀態須要常常的切換（Interworkong）來知足系統性能要求。具體的切換是經過 Branch Exchange，即 BX 指令來實現的。指令格式爲：

        Thumb 工做狀態        BX                      Rn

        ARM     工做狀態        BX     Rn

        其中Rn能夠是寄存器 R0 ~ R15 中的任意一個。指令能夠經過將寄存器Rn的內容，拷貝到程序計數器 PC 來完成在 4GB地址空間中的絕對跳轉，若是操做數寄存器的狀態位 Bit0 = 0，則進入 ARM 工做狀態；若是 Bit0 = 1，則進入 Thumb 工做狀態。

 

ARM寄存器一共有 37 個寄存器：

 

ARM處理器工做工做模式下的寄存器：

 

不分組寄存器R0～R7
          在全部的運行模式下，未分組寄存器都指向同一個物理寄存器，他們未被系統用做特殊的用途，所以，在中斷或異常處理進行運行模式轉換時，因爲不一樣的處理器運行模式均使用相同的物理寄存器，可能會形成寄存器中數據的破壞，這一點在進行程序設計時應引發注意。

 

分組寄存器R8～R12
每次所訪問的物理寄存器與處理器當前的運行模式有關
R8～R12：每一個寄存器對應兩個不一樣的物理寄存器
當使用fiq模式時，訪問寄存器R8_fiq～R12_fiq
當使用除fiq模式之外的其餘模式時，訪問寄存器R8_usr～R12_usr。

 

R1三、R14：每一個寄存器對應6個不一樣的物理寄存器
其中的一個是用戶模式與系統模式共用，另外5個物理寄存器對應於其餘5種不一樣的運行模式
採用如下的記號來區分不一樣的物理寄存器：
R13_
R14_
mode爲如下幾種之一：usr、fiq、irq、svc、abt、und。

 

堆棧指針—R13/sp

R13在ARM指令中經常使用做堆棧指針，但這只是一種習慣用法，用戶也可以使用其餘的寄存器做爲堆棧指針。
    sub    sp, sp, #4       ;reserved for PC
    stmfd    sp!, {r8-r9}

因爲處理器的每種運行模式均有本身獨立的物理寄存器R13，在初始化部分，都要初始化每種模式下的R13，這樣，當程序的運行進入異常模式時，能夠將須要保護的寄存器放入R13所指向的堆棧，而當程序從異常模式返回時，則從對應的堆棧中恢復。

子程序鏈接寄存器—R14/lr

R14也稱做子程序鏈接寄存器或鏈接寄存器LR。當執行BL子程序調用指令時，能夠從R14中獲得R15（程序計數器PC）的備份。其餘狀況下，R14用做通用寄存器。

在每一種運行模式下，均可用R14保存子程序的返回地址，當用BL或BLX指令調用子程序時，將PC的當前值拷貝給R14，執行完子程序後，又將R14的值拷貝回PC，便可完成子程序的調用返回。

                BL    SUB1
                ……
    SUB1:    
                ……
                MOV PC，LR        /*完成子程序返回等    同於BX LR    */

程序計數器—R15/PC

雖然 R15 也能夠用做通用寄存器，但要注意有一些特殊限制，若是違法了這些限制，指令執行的結果將是不可預料的。

 

程序狀態寄存器(CPSR/SPSR)
CPSR(當前程序狀態寄存器)
SPSR（備份的程序狀態寄存器）

全部處理器模式下均可訪問當前的程序狀態寄存器CPSR。

CPSR:程序狀態寄存器(current program status register) (當前程序狀態寄存器)，在任何處理器模式下被訪問。它包含了條件標誌位、中斷禁止位、當前處理器模式標誌以及其餘的一些控制和狀態位。
CPSR在用戶級編程時用於存儲條件碼。

   SPSR:程序狀態保存寄存器（saved program status register）,每一種處理器模式下都有一個狀態寄存器SPSR,SPSR用於保存CPSR的狀態，以便異常返回後恢復異常發生時的工做狀態。當特定 的異常中斷髮生時，這個寄存器用於存放當前程序狀態寄存器的內容。在異常中斷退出時，能夠用SPSR來恢復CPSR。因爲用戶模式和系統模式不是異常中斷 模式，因此他沒有SPSR。當用戶在用戶模式或系統模式訪問SPSR，將產生不可預知的後果。

CPSR格式以下所示。SPSR和CPSR格式相同

 

 

程序狀態寄存器的條件碼標誌

N、Z、C、V均爲條件碼標誌位。它們的內容可被算術或邏輯運算的結果所改變，而且能夠決定某條指令是否被執行
在ARM狀態下，絕大多數的指令都是有條件執行的。
在Thumb狀態下，僅有分支指令是有條件執行的。

狀態寄存器的低8位（I、F、T和M[4：0]）稱爲控制位，發生異常時這些位能夠被改變。若是處理器運行特權模式，這些位也能夠由程序修改。

中斷禁止位I、F：
I=1   禁止IRQ中斷;
F=1   禁止FIQ中斷。

 T標誌位：該位反映處理器的運行狀態
ARM體系結構v5及以上的版本的T系列處理器，當該位爲1時，程序運行於Thumb狀態，不然運行於ARM狀態。
ARM體系結構v5及以上的版本的非T系列處理器，當該位爲1時，執行下一條指令以引發未定義的指令異常；當該位爲0時，表示運行於ARM狀態。
運行模式位M[4：0]是模式位，決定處理器的運行模式

 

 

THUMB狀態下的寄存器組織

 

Thumb與ARM狀態下的寄存器關係