ARM处理器的工作模式
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1.2.4 Thumb状态下的寄存器组织
Thumb状态下的寄存器集是ARM状态下寄存器集的 子集。程序员可以直接访问8个通用的寄存器（R0~R7）， 程序计数器PC、堆栈指针SP、链接寄存器LR和当前状态 寄存器CPSP。
第二十页，编辑于星期三：四点 二十九分。
1.3 ARM异常
本节主要内容
1、中断和异常的概念 2、ARM的异常中断介绍 3、ARM的异常中断响应过程 4、中断向量和中断优先级
第十页，编辑于星期三：四点 二十九分。
1.2 ARM9寄存器
1.2.1、ARM寄存器概述
ARM处理器v4及以上版本有37个32位的寄存器
其中31个为通用寄存器；6个为状态寄存器。
– 31个通用寄存器
R0～R15； R13_svc、R14_svc； R13_abt、R14_abt； R13_und、R14_und；
当执行BL子程序调用指令时，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。
与之类似，当发生中断或异常时，对应的分组寄存器R14_svc、 R14_irq、R14_fiq、R14_abt和R14_und用来保存R15的返回值。
第十五页，编辑于星期三：四点 二十九分。
1.2 ARM寄存器(7)
– I、F中断控制位——控制允许和禁止中断
• I＝1 禁止IRQ中断
I＝0 允许IRQ中断
• F＝1 禁止FIQ中断
F＝0 允许FIQ中断
– T控制(标志)位——反映处理器的运行状态
• T=1时，程序运行于Thumb状态
• T=0时，程序运行于ARM状态
– M控制位——决定了处理器的运行模式
• 当发生异常时这些位被改变。
• 1、用户模式特点：
– 应用程序不能够访问受操作系统保护的系统资源。 – 应用程序不能进行处理器模式的切换。
• 2、系统模式特点：
不属于异常模式，不是通过异常进入的。系统模式属于特 权模式，可以访问所有的系统资源，也可以直接进行模式的 切换。它主要供操作系统使用。
• 3、特权模式及其特点：
特权模式：除用户模式之外的工作模式又称为特权模式
式 虚拟存储及存储保护
• 6、未定义模式（und）：当执行未定义指令时会进入 这种模式 软件仿真硬件协处理器
• 7、系统模式（sys）：供需要访问系统资源的操作系统 任务使用 特权级的操作系统任务
第六页，编辑于星期三：四点 二十九分。
1.1.2 ARM处理器的工作模式(2)
二、模式分类及特点
七种模式可以划分成四类
0表示：正数/大于；1表示：负数/小于
Z：零标志位
0表示：结果不为零；1表示：结果为零
C：进位/借位/移出位
0表示：未进位/借位/移出0；1表示：进位/未借位/移出1
V：溢出标志位
0表示：结果未溢出；1表示：结果溢出
第十八页，编辑于星期三：四点 二十九分。
1.2.3 ARM9的状态寄存器(3)
2、控制位
第十四页，编辑于星期三：四点 二十九分。
1.2 ARM寄存器(6)
• R13：寄存器R13在ARM指令中常用作堆栈指针SP。
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。
• R14：寄存器R14也称作子程序链接寄存器 （Subroutine Link Regi寄存器的位[0]为1时，则微处理器从 ARM状态切换到Thumb状态。此为主动切换。
（2）当处理器处于Thumb状态时发生异常（如IRQ、FIQ、 Undef等），处理完异常后，在异常处理返回时，自动切换到 Thumb状态。此为自动切换。
• 从Thumb状态切换到ARM状态
• 2、R13和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 的异常模式。
采用以下的记号来区分不同的物理寄存器： – R13_<mode> – R14_<mode>
其中，mode为以下几种模式之一：usr、fiq、irq、svc、 abt、und。
处理器启动时的模式转换图
管理模式 (Supervisor)
多种特权
模式变化
复位后的缺省 模式
主要完成各模式的 堆栈设置，注意不 要进入用户模式
用户程序的 运行模式
一般为用户模式 User
第九页，编辑于星期三：四点 二十九分。
1.2 ARM9寄存器
本节主要内容
1、ARM寄存器概述 2、ARM通用寄存器 3、ARM状态寄存器
第十七页，编辑于星期三：四点 二十九分。
1.2.3 ARM的状态寄存器(2)
二、ARM状态寄存器的格式
31 30 29 28 27 … 8 7 6 5 4 3 2 1 0 N Z C V （保留） I F T M4 M3 M2 M1 M0
1、条件码标志位（保存ALU中的当前操作信息） N：正负号/大小 标志位
第二十一页，编辑于星期三：四点 二十九分。
1.3 ARM异常
1.3.1 中断和异常的概念
1、中断 当CPU正在执行程序时，系统发生了一件急需处理
的事件，CPU暂时停下正在执行的程序，转去处理相应的事件，事件 处理完后，CPU再返回执行原来的程序，这种情况称为中断。这是中 断的本来意义。
第四页，编辑于星期三：四点 二十九分。
1.1.2 ARM处理器的工作模式
一、 ARM9的7种工作模式
• 1、用户模式（usr)：非特权模式，大部分任务执行在
这种模式。 正常程序执行的模式 • 2、快速中断模式（fiq）：当一个高优先级(fast)中
断产生时将会进入这种模式。 高速数据传输或通道处理
有两种情况ARM处理器自动切换到Thumb状态。
（1）执行BX指令，当操作数寄存器的位[0]为0时，则微 处理器从Thumb状态切换到ARM状态。
（2）当处理器在Thumb状态时发生异常（如IRQ、FIQ、 Undef等），则处理器从Thumb状态自动切换到ARM状态 进行异常处理
第三页，编辑于星期三：四点 二十九分。
三、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；
• 使用R15时注意：虽然R15可以用作通用寄存器，但
是有一些指令在使用R15时有一些特殊限制，若不注意， 执行的结果将是不可预料的。所以，一般不这么使用。
SPSR_mode用来进行异常处理，其功能包括：
─ 保存ALU中的当前操作信息
当异常发生时, 用来保存CPSR的值，从异常返回时，将
SPSR_mode复制到CPSR中，恢复CPSR的值。
─ 控制允许和禁止中断 修改SPSR的值
─ 设置处理器的运行模式
修改SPSR的值
问题：一共有多少个SPSR？为什么？
• 两种状态可以切换。程序执行过程中，通过执行带
状态切换的分支指令BX，随时在两种工作状态之间进行 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。
第二页，编辑于星期三：四点 二十九分。
1.1 ARM处理器的工作状态和模式(2)
•
从ARM状态切换到Thumb状态
有两种情况ARM处理器自动切换到Thumb状态。
1.1 ARM处理器的工作状态和模式(3)
例1.1 状态切换程序
;从ARM状态切换到Thumb状态
LDR
R0, =Lable+1
BX
R0
;从Thumb状态切换到ARM状态
LDR
R0, =Lable
BX
R0
注意：
ARM和Thumb之间状态的切换不影响处理器的模 式或寄存器的内容。
ARM处理器在开始执行代码时，只能处于ARM状 态。
1.2.2 ARM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)
一、未分组寄存器R0～R7
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，是真正的通用寄存器。
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。
嵌入式系统设计:ARM处理器的工作模式
第一页，编辑于星期三：四点 二十九分。
1.1 ARM处理器的工作状态和模式
为了能够体现ARM的特点和性能，ARM处理器有两 种工作状态和7种工作模式。
1.1.1 ARM处理器的工作状态
• 有两种工作状态：
ARM状态：处理器执行32位的字对齐的ARM指令；
Thumb状态：处理器执行16位的半字对齐的 Thumb指令。
R13_irq、R14_irq； • R8_fiq-R14_fiq
– 6 个状态寄存器
• CPSR • SPSR_svc、SPSR_abt、SPSR_und、SPSR_irq和SPSR_fiq
第十一页，编辑于星期三：四点 二十九分。
1.2 ARM9寄存器(2)
• 每一类处理器模式 都有一组相应的寄 存器组；
• 关于PC的值：由于ARM采用多级流水线技术，所以 PC总是指向正在取指的指令，而不是正在执行的指令。 也即PC总是指向当前指令的下两条指令的地址。因此， 对于ARM指令集而言，PC的值为当前指令的地址值加8 个字节。
第十六页，编辑于星期三：四点 二十九分。
1.2 ARM寄存器(8)
1.2.3 ARM的状态寄存器
①系统上电复位后进入管理模式，运行系统初始化程序， 如中断允许/禁止，主时钟设置，SDRAM配置，各个功能模 块初始化等。
②当执行软件中断指令SWI时，进入管理模式。
第八页，编辑于星期三：四点 二十九分。
1.1.2 ARM处理器的工作模式(4)
• 处理器模式的切换方式：
– 软件控制进行切换。
– 通过外部中断和异常进行切换
特点：
–
应用程序可以访问所有的系统资源
–
可以任意地进行处理器模式的切换
第七页，编辑于星期三：四点 二十九分。
1.1.2 ARM处理器的工作模式(3)
4、异常模式及其特点：
异常模式： 除用户模式、系统模式之 外的五种模式称为异常模式。
特点：以各自的中断或异常方式进入， 并且处理各自的中断或异常。对管理模式 (svc)进入方式和处理内容有:
• 3、外部中断模式（irq）：当一个低优先级(normal)
中断产生时将会进入这种模式。 通常的中断处理
• 4、管理模式（svc)：当复位或软中断指令执行时将
会进入这种模式。 供操作系统使用的一种保护模式
第五页，编辑于星期三：四点 二十九分。
1.1.2 ARM处理器的工作模式(2)
• 5、中止模式（abt）：当存取异常时将会进入这种模
• 在任意的处理器 模式下，可见的寄 存器包括15个通用 寄存器（R0－ R14）、1个或2个 状态寄存器和程序 寄存器。
• 带灰色底纹的单 元格表示，用户模 式或系统模式使用 的一般寄存器，已 被异常模式特定的 另一寄存器所替代。
第十二页，编辑于星期三：四点 二十九分。
1.2 ARM寄存器(4)
第十三页，编辑于星期三：四点 二十九分。
1.2 ARM寄存器(5)
二、分组的寄存器R8～R14
对于R8～R12，每一次所访问的物理寄存器，与处理器 当前的工作模式有关。
• 1、R8～R12
– 当处理器工作于fiq模式时，访问的寄存器为R8_fiq～R12_fiq； – 除fiq模式以外的其他模式，访问的寄存器为R8_usr～R12_usr。
• 如果处理器运行在特权模式，这些位也可以由程 序修改。
M[4:0] 10000 10001 10010 10011 10111 11011 11111
模式 用户 快中断 中断 管理 中止 未定义 系统
第十九页，编辑于星期三：四点 二十九分。
1.2.3 ARM9的状态寄存器(4)
3、保留位
CPSR中的其余位为保留位，当改变CPSR中的条件 码标志位或者控制位时，保留位不要改变，在程序中也不 要使用保留位来存储数据。保留位将用于ARM版本的扩展。
一、两种程序状态寄存器
在ARM微处理器中，有CPSR和SPSR两种程序状态寄存器。
• 1、当前程序状态寄存器 CPSR (Current Program Status Register）
– 用来保存当前程序状态的寄存器。
– 所有处理器模式下都可以访问当前程序状态寄存器CPSR。仅一个 CPSR。
• 2、保存程序状态寄存器SPSR_mode (Saved Program Status Register)
Thumb状态下的寄存器集是ARM状态下寄存器集的 子集。程序员可以直接访问8个通用的寄存器（R0~R7）， 程序计数器PC、堆栈指针SP、链接寄存器LR和当前状态 寄存器CPSP。
第二十页，编辑于星期三：四点 二十九分。
1.3 ARM异常
本节主要内容
1、中断和异常的概念 2、ARM的异常中断介绍 3、ARM的异常中断响应过程 4、中断向量和中断优先级
第十页，编辑于星期三：四点 二十九分。
1.2 ARM9寄存器
1.2.1、ARM寄存器概述
ARM处理器v4及以上版本有37个32位的寄存器
其中31个为通用寄存器；6个为状态寄存器。
– 31个通用寄存器
R0～R15； R13_svc、R14_svc； R13_abt、R14_abt； R13_und、R14_und；
当执行BL子程序调用指令时，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。
与之类似，当发生中断或异常时，对应的分组寄存器R14_svc、 R14_irq、R14_fiq、R14_abt和R14_und用来保存R15的返回值。
第十五页，编辑于星期三：四点 二十九分。
1.2 ARM寄存器(7)
– I、F中断控制位——控制允许和禁止中断
• I＝1 禁止IRQ中断
I＝0 允许IRQ中断
• F＝1 禁止FIQ中断
F＝0 允许FIQ中断
– T控制(标志)位——反映处理器的运行状态
• T=1时，程序运行于Thumb状态
• T=0时，程序运行于ARM状态
– M控制位——决定了处理器的运行模式
• 当发生异常时这些位被改变。
• 1、用户模式特点：
– 应用程序不能够访问受操作系统保护的系统资源。 – 应用程序不能进行处理器模式的切换。
• 2、系统模式特点：
不属于异常模式，不是通过异常进入的。系统模式属于特 权模式，可以访问所有的系统资源，也可以直接进行模式的 切换。它主要供操作系统使用。
• 3、特权模式及其特点：
特权模式：除用户模式之外的工作模式又称为特权模式
式 虚拟存储及存储保护
• 6、未定义模式（und）：当执行未定义指令时会进入 这种模式 软件仿真硬件协处理器
• 7、系统模式（sys）：供需要访问系统资源的操作系统 任务使用 特权级的操作系统任务
第六页，编辑于星期三：四点 二十九分。
1.1.2 ARM处理器的工作模式(2)
二、模式分类及特点
七种模式可以划分成四类
0表示：正数/大于；1表示：负数/小于
Z：零标志位
0表示：结果不为零；1表示：结果为零
C：进位/借位/移出位
0表示：未进位/借位/移出0；1表示：进位/未借位/移出1
V：溢出标志位
0表示：结果未溢出；1表示：结果溢出
第十八页，编辑于星期三：四点 二十九分。
1.2.3 ARM9的状态寄存器(3)
2、控制位
第十四页，编辑于星期三：四点 二十九分。
1.2 ARM寄存器(6)
• R13：寄存器R13在ARM指令中常用作堆栈指针SP。
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。
• R14：寄存器R14也称作子程序链接寄存器 （Subroutine Link Regi寄存器的位[0]为1时，则微处理器从 ARM状态切换到Thumb状态。此为主动切换。
（2）当处理器处于Thumb状态时发生异常（如IRQ、FIQ、 Undef等），处理完异常后，在异常处理返回时，自动切换到 Thumb状态。此为自动切换。
• 从Thumb状态切换到ARM状态
• 2、R13和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 的异常模式。
采用以下的记号来区分不同的物理寄存器： – R13_<mode> – R14_<mode>
其中，mode为以下几种模式之一：usr、fiq、irq、svc、 abt、und。
处理器启动时的模式转换图
管理模式 (Supervisor)
多种特权
模式变化
复位后的缺省 模式
主要完成各模式的 堆栈设置，注意不 要进入用户模式
用户程序的 运行模式
一般为用户模式 User
第九页，编辑于星期三：四点 二十九分。
1.2 ARM9寄存器
本节主要内容
1、ARM寄存器概述 2、ARM通用寄存器 3、ARM状态寄存器
第十七页，编辑于星期三：四点 二十九分。
1.2.3 ARM的状态寄存器(2)
二、ARM状态寄存器的格式
31 30 29 28 27 … 8 7 6 5 4 3 2 1 0 N Z C V （保留） I F T M4 M3 M2 M1 M0
1、条件码标志位（保存ALU中的当前操作信息） N：正负号/大小 标志位
第二十一页，编辑于星期三：四点 二十九分。
1.3 ARM异常
1.3.1 中断和异常的概念
1、中断 当CPU正在执行程序时，系统发生了一件急需处理
的事件，CPU暂时停下正在执行的程序，转去处理相应的事件，事件 处理完后，CPU再返回执行原来的程序，这种情况称为中断。这是中 断的本来意义。
第四页，编辑于星期三：四点 二十九分。
1.1.2 ARM处理器的工作模式
一、 ARM9的7种工作模式
• 1、用户模式（usr)：非特权模式，大部分任务执行在
这种模式。 正常程序执行的模式 • 2、快速中断模式（fiq）：当一个高优先级(fast)中
断产生时将会进入这种模式。 高速数据传输或通道处理
有两种情况ARM处理器自动切换到Thumb状态。
（1）执行BX指令，当操作数寄存器的位[0]为0时，则微 处理器从Thumb状态切换到ARM状态。
（2）当处理器在Thumb状态时发生异常（如IRQ、FIQ、 Undef等），则处理器从Thumb状态自动切换到ARM状态 进行异常处理
第三页，编辑于星期三：四点 二十九分。
三、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；
• 使用R15时注意：虽然R15可以用作通用寄存器，但
是有一些指令在使用R15时有一些特殊限制，若不注意， 执行的结果将是不可预料的。所以，一般不这么使用。
SPSR_mode用来进行异常处理，其功能包括：
─ 保存ALU中的当前操作信息
当异常发生时, 用来保存CPSR的值，从异常返回时，将
SPSR_mode复制到CPSR中，恢复CPSR的值。
─ 控制允许和禁止中断 修改SPSR的值
─ 设置处理器的运行模式
修改SPSR的值
问题：一共有多少个SPSR？为什么？
• 两种状态可以切换。程序执行过程中，通过执行带
状态切换的分支指令BX，随时在两种工作状态之间进行 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。
第二页，编辑于星期三：四点 二十九分。
1.1 ARM处理器的工作状态和模式(2)
•
从ARM状态切换到Thumb状态
有两种情况ARM处理器自动切换到Thumb状态。
1.1 ARM处理器的工作状态和模式(3)
例1.1 状态切换程序
;从ARM状态切换到Thumb状态
LDR
R0, =Lable+1
BX
R0
;从Thumb状态切换到ARM状态
LDR
R0, =Lable
BX
R0
注意：
ARM和Thumb之间状态的切换不影响处理器的模 式或寄存器的内容。
ARM处理器在开始执行代码时，只能处于ARM状 态。
1.2.2 ARM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)
一、未分组寄存器R0～R7
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，是真正的通用寄存器。
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。
嵌入式系统设计:ARM处理器的工作模式
第一页，编辑于星期三：四点 二十九分。
1.1 ARM处理器的工作状态和模式
为了能够体现ARM的特点和性能，ARM处理器有两 种工作状态和7种工作模式。
1.1.1 ARM处理器的工作状态
• 有两种工作状态：
ARM状态：处理器执行32位的字对齐的ARM指令；
Thumb状态：处理器执行16位的半字对齐的 Thumb指令。
R13_irq、R14_irq； • R8_fiq-R14_fiq
– 6 个状态寄存器
• CPSR • SPSR_svc、SPSR_abt、SPSR_und、SPSR_irq和SPSR_fiq
第十一页，编辑于星期三：四点 二十九分。
1.2 ARM9寄存器(2)
• 每一类处理器模式 都有一组相应的寄 存器组；
• 关于PC的值：由于ARM采用多级流水线技术，所以 PC总是指向正在取指的指令，而不是正在执行的指令。 也即PC总是指向当前指令的下两条指令的地址。因此， 对于ARM指令集而言，PC的值为当前指令的地址值加8 个字节。
第十六页，编辑于星期三：四点 二十九分。
1.2 ARM寄存器(8)
1.2.3 ARM的状态寄存器
①系统上电复位后进入管理模式，运行系统初始化程序， 如中断允许/禁止，主时钟设置，SDRAM配置，各个功能模 块初始化等。
②当执行软件中断指令SWI时，进入管理模式。
第八页，编辑于星期三：四点 二十九分。
1.1.2 ARM处理器的工作模式(4)
• 处理器模式的切换方式：
– 软件控制进行切换。
– 通过外部中断和异常进行切换
特点：
–
应用程序可以访问所有的系统资源
–
可以任意地进行处理器模式的切换
第七页，编辑于星期三：四点 二十九分。
1.1.2 ARM处理器的工作模式(3)
4、异常模式及其特点：
异常模式： 除用户模式、系统模式之 外的五种模式称为异常模式。
特点：以各自的中断或异常方式进入， 并且处理各自的中断或异常。对管理模式 (svc)进入方式和处理内容有:
• 3、外部中断模式（irq）：当一个低优先级(normal)
中断产生时将会进入这种模式。 通常的中断处理
• 4、管理模式（svc)：当复位或软中断指令执行时将
会进入这种模式。 供操作系统使用的一种保护模式
第五页，编辑于星期三：四点 二十九分。
1.1.2 ARM处理器的工作模式(2)
• 5、中止模式（abt）：当存取异常时将会进入这种模
• 在任意的处理器 模式下，可见的寄 存器包括15个通用 寄存器（R0－ R14）、1个或2个 状态寄存器和程序 寄存器。
• 带灰色底纹的单 元格表示，用户模 式或系统模式使用 的一般寄存器，已 被异常模式特定的 另一寄存器所替代。
第十二页，编辑于星期三：四点 二十九分。
1.2 ARM寄存器(4)
第十三页，编辑于星期三：四点 二十九分。
1.2 ARM寄存器(5)
二、分组的寄存器R8～R14
对于R8～R12，每一次所访问的物理寄存器，与处理器 当前的工作模式有关。
• 1、R8～R12
– 当处理器工作于fiq模式时，访问的寄存器为R8_fiq～R12_fiq； – 除fiq模式以外的其他模式，访问的寄存器为R8_usr～R12_usr。
• 如果处理器运行在特权模式，这些位也可以由程 序修改。
M[4:0] 10000 10001 10010 10011 10111 11011 11111
模式 用户 快中断 中断 管理 中止 未定义 系统
第十九页，编辑于星期三：四点 二十九分。
1.2.3 ARM9的状态寄存器(4)
3、保留位
CPSR中的其余位为保留位，当改变CPSR中的条件 码标志位或者控制位时，保留位不要改变，在程序中也不 要使用保留位来存储数据。保留位将用于ARM版本的扩展。
一、两种程序状态寄存器
在ARM微处理器中，有CPSR和SPSR两种程序状态寄存器。
• 1、当前程序状态寄存器 CPSR (Current Program Status Register）
– 用来保存当前程序状态的寄存器。
– 所有处理器模式下都可以访问当前程序状态寄存器CPSR。仅一个 CPSR。
• 2、保存程序状态寄存器SPSR_mode (Saved Program Status Register)