ARM接口编程笔记

ARM接口编程笔记一、ARM编程模式1.ARM的含义●ARM是一家公司的名字●ARM代表的是一种RISC技术●ARM是一种CPU体系结构的名称，同x86、PPC、MIPS等并列2.ARM体系结构中对字节、半字、字、双字的定义●字节：8 bit●半字：16 bit●字：32 bit●双字：64 bit3.ARM指令集●ARM指令集，32 bit，功能最全●Thumb指令集，16 bit，是ARM指令集的子集，完成部分功能●Thumb‐2指令集，16 bit和32 bit混合●Thumb‐EE指令集，16 bit和32 bit混合●Java指令集，直接执行绝大部分的Java字节流，但需要授权4.ARM处理器的权限●非特权级：部分指令不能执行，是一种硬件的保护机制，通常用户应用程序运行在该权限级别●特权级：能执行所有指令，通常操作系统运行在该权限级别5.ARM的工作模式，处理对应模式下的特定事务，使得这些特定事务能够在硬件资源的使用上部分地独立开来，这是通过各种模式下有对应的私有硬件资源来实现的。

●User：应用程序一般运行在该模式下●Supervisor：操作系统一般运行在该模式下●IRQ：中断处理程序一般运行在该模式下●FIQ：快速中断处理程序一般运行在该模式下●Abort：发生存取异常后会进入该模式●Undef：执行未定义的指令会进入该模式●System：为解决中断不可重入而设计的一种特殊模式●Monitor：Cortex‐A特有的模式，执行监控代码●除User模式外，其他7种模式都是特权模式6.ARM寄存器寄存器最靠近CPU中的ALU，存取速度最快，没有地址，只有编号。

部分寄存器有别名，在汇编程序中本名和别名可以混用。

●R0‐R7：各模式都共用的寄存器，物理上共8个寄存器。

●R8‐R12：FIQ模式下有对应的私有寄存器，即FIQ模式下使用其私有的这组寄存器，另外7中模式都共用另外一组寄存器，物理上共有10个寄存器●R13：User和System模式共用，另外6种模式都有各自私有的寄存器，物理上共7个寄存器●R14：User和System模式共用，另外6种模式都有各自私有的寄存器，物理上共7个寄存器●R15：各模式都共用的寄存器，物理上只有1个●CPSR：各模式都共用的寄存器，物理上只有1个●SPSR：User和System模式下无此寄存器，另外6种模式都有各自私有的寄存器，物理上共6个寄存器7.ARM寄存器使用说明●虽然上表中各模式下的私有寄存器都跟有后缀，但在汇编中都使用统一的名字。

如，在FIQ模式下的汇编代码要表示R13寄存器，只能在汇编中写R13，而不能写R13_fiq●虽然总共有40个寄存器，但是处理器在某一个特定时刻，只能处于一种模式下，所以处理器在同一时间内只能见到本模式下的寄存器，最多有18个可见，最少有17个可见（User和System模式）●R13寄存器的别名为SP，是栈指针，各模式有私有的栈指针，则意味着各模式下的栈空间可以彼此独立。

通常由编译器和CPU来维护，使用前需初始化●R14寄存器的别名为LR，链接寄存器，用于自动保存返回地址。

特别需要注意的是：如果程序执行流程的改变不涉及模式的切换，则返回地址保存在当前模式下的LR寄存器中；如果程序执行流程的改变伴随着模式的切换，则返回地址保存在被切换后的模式下的LR寄存器中。

注意对LR寄存器的保护●R15的寄存器别名为PC，程序计数器，用于指示被取指令的地址，通常由CPU自动维护，也可以通过程序手动修改●CPSR寄存器，用于反映当前的程序状态，如处理器所处的模式，处理器所处的状态，中断是否被屏蔽，数据运算的结果是否发生了借位、进位，结果是否为0，结果是否为负，是否发生溢出等●SPSR寄存器，定义同CPSR寄存器。

在模式发生切换后用于保存模式切换前的模式下的CPSR寄存器，如果要切换回以前的模式，则可用切换后所在模式的SPSR去恢复切换前模式的CPSR，需要由特殊的指令来实现8.ARM指令特点●定长32 bit●大部分为单周期指令●大部分指令可条件执行，即在常规指令后跟上执行条件●采用Load/Store架构，典型的限制是不能在存储器和存储器间直接拷贝，必须通过寄存器中转9.ARM处理器核●流水线使得指令流可并行处理，提高效率●PC指向正被取指的指令，而非正在执行的指令●Cache因为存取速度高于内存，用于缓存指令和数据，提高执行速度●Write Buffer用于暂存向内存写入的数据●MMU用于程序的保护和实现虚拟内存●CP15协处理器用于控制Cache、Write Buffer和MMU等10.SoC的概念：片上系统，将CPU核同其他外围接口电路（如串口，LCD控制器等）集成在一片芯片上二、ARM指令集1.条件码CMP r3, #0 CMP r3, #0BEQ Skip ADDNE r0,r1,r2ADD r0,r1,r2Skip： Skip：合理使用条件码，可以提高代码密度，减少分支跳转指令的数目（避免清空流水线），提高了性能2.后缀S的作用：刷新CPSR寄存器中的条件码标志位，使得后续的指令可以根据带S指令的执行结果来判断本条指令是否要执行。

比较指令不用加S后缀3.分支指令B/BLBL相对于B指令，CPU会自动将返回地址保存在LR寄存器当中，从分支返回可以用LR寄存器的值恢复PC，从而完成调用的返回。

两条指令用24 bit 来存放偏移量，对于ARM指令集来说，每条指令4个字节长，则指令按照4字节对齐，那么指令地址的最低两位比特始终为0，在跳转指令中并未表示最低的两位，所以真正的偏移量是26 bit。

其中1 bit用来表示符号，所以跳转的范围为+/‐2^25 = +/‐32M。

如要实现长跳转，则可多次跳转，也可以将跳转的目的地址先保存到存储器中，然后将该地址从存储器中取出，赋给PC 4.数据处理指令Cond：指令的条件码。

Opcode：指令操作码。

S：操作是否影响cpsr,S=0不影响，S=1影响。

Rn：包含第一个操作数的寄存器编码。

Rd：目标寄存器编码。

Operand2：第2操作数、RmI：用于区别Operand2是立即数（I=1），还是寄存器移位（I=0）Shift amount：移位数Shift：移位方式关于比较指令的助记如下，但是比较指令不会保存结果，只影响标志CMP<‐>SUBSCMN<‐>ADDSTST<‐>ANDSTEQ<‐>EORS注意，MVN指令是取反传送指令，并非取负数传送指令减法指令对C标志的影响是反的，不过这由CPU自动处理移位操作LSL: x << yLSR: (unsigned)x >> yASR: (signed)x >> yRORRRX合法立即数：立即数保存在指令中，一条ARM指令是32 bit，所以不能存放一个32 bit的立即数，在一条指令中只有12 bit来表示立即数，但是并未将立即数就此限定在0~4095，而是用8 bit来表示一个数，另外4 bit来表示对这8 bit数的移位，最终的移位结果就是要表示的立即数。

显然这种方式也不能表示完32 bit 的立即数，只是相对于前一种方式，将不同的数分散在数轴上，而不是集中在一小段范围。

故而，有些立即数能被正确表示，而有的则不能被表示。

判断一个数是否是合法的立即数，或者说能否在指令中被正确表示的方法是：将数写成2进制，通过循环移位的方式，将为1的位尽量靠在一起，放在低8位，然后查看为1的比特位数跨度是否不大于8，如果是，再进一步判断移位的次数是否为偶数次，如果是则表明该数是一个合法的立即数，反之则不是。

对于非法立即数，使用LDR伪指令，编译器会自动处理。

5.单据传送指令LDR STR WordLDRB STRB ByteLDRH STRH HalfwordLDRSB 带符号的byte loadLDRSH 带符号的halfword load指令中的S表示符号扩展，如将0xFF扩展为0xFFFFFFFF6.块数据传送指令LDM STM WordIA: I ncrement A fter （先操作，后增加）IB: I ncrement B efore （先增加，后操作）DA: D ecrement A fter （先操作，后递减）DB: D ecrement B efore （先递减，后操作）寄存器传送顺序是固定的，不能被改变最小数字的寄存器总是被对应到存储器的最低地址上STM FD (Push) 块存储‐ Full Descending stack [STMDB]LDM FD (Pop) 块装载‐ Full Descending stack [LDMIA]7.信号量操作指令SWP{<cond>}{B} Rd, Rm, [Rn]一次存储器读和一次存储器写组成的原子操作，适用于信号量操作Rd和Rm可以是同一寄存器，这样可以完成寄存器和存储单元的原子数据交换不能由C编译器产生，只能由汇编语言来编写8.软中断指令SWI{<cond>} <SWI number>关键在于软中断号的获取和参数的传递常用作于系统调用的实现9.状态寄存器访问指令MRS{<cond>} Rd,<psr> ; Rd = <psr>MSR{<cond>} <psr[_fields]>,Rm ; <psr[_fields]>对状态寄存器的访问只能使用这两条指令状态寄存器被划分为4个域，分别是控制域（c），扩展域（x），状态域（s）和标志位域（f）对于MSR指令，可直接将一立即数写入状态寄存器在用户模式下对所有域可读，但只对标志位域可写，实现特权级和非特权级的关键。

这也意味着用户模式下不能修改处理器模式，不能使能或屏蔽中断10.协处理器指令MRC：从协处理器寄存器移到ARM 寄存器MCR：从 ARM 寄存器移到协处理器寄存器。