ARM体系结构综述

第一编ARM编程模式1. Thumb指令集是ARM指令集的重编码的子集，相较于ARM指令集，Thumb指令集有两个不足：1）Thumb的代码执行相同的任务需要相较ARM代码更多的指令数，故不适合一些要求最大化执行时间效率的程序；2）Thumb中不包含一些异常处理需要使用的代码，故不适用编写一些高层次的异常处理代码2. ARM是一个RISC（精简指令集计算机），包含以下一些特性：1) 一个大型统一的寄存器表2) load/store结构，即所有数据操作都仅基于寄存器，而非直接基于内存；3) 简单寻址模式，即所有load/store寻址仅依靠寄存器内容和指令域决定；4) 统一和定长的指令格式，简化了指令的解码。

3. ARM有七种处理器模式，分别为：User（用户模式，即正常指令执行模式），FIQ（快速中断模式），IRQ（通用中断处理模式），Supervisor（超级用户模式，即操作系统保护模式），Abort（中止模式，实现内存或虚拟内存的保护），Undefined（未定义模式），System（系统模式，执行特权的系统进程）。

模式之间的切换可以通过软件控制或外部的中断或异常引起。

4. 正常的应用程序均在User（用户模式）下运行，此时无法获取一些受限的系统资源，也不可以任意切换处理器模式，除非有异常发生。

5. 除了User外的其他六个均为特权模式，他们可以获取各类系统资源，并能实现相互切换。

其中除System外的五个为异常模式。

6. ARM总计拥有37个寄存器，其中31个通用的32-bit寄存器，还有6个32-bit状态寄存器。

而在任意时刻，仅有其中的16个通用寄存器是可见的。

7. ARM体系结构中可见的寄存器为R0-R15，可分成三类：未堆积（unbanked）寄存器R0-R7，堆积（banked）寄存器R8-R14和程序计数器R15。

8. R0-R7为所有模式共享，所有模式共用这8个寄存器。

9. R8-R14为堆积寄存器，其又分成两类。

一类是R8-R12，分为两组，一组是FIQ模式专用，另一组是其他六种模式共用。

另一类是R13和R14，分为六组，分别是User和System共用一组，其他五种异常处理器模式各保有一组R13和R14。

R13和R14一般都用来做特殊的用途，其中R13为堆栈指针（SP）；R14为链接寄存器，有两种特殊的功能，一种是发生子程序调用时保存子程序返回地址，另一种是异常发生时保存异常返回地址。

10. PC（R15）保存的是程序计数器，为当前指令的地址+8字节。

同时，由于ARM指令是字对齐的，所以PC的最低两个位bit[0:1]一般为0。

一个例外是当STR或者STM指令保存R15时，则保存的即可能是当前指令地址+8字节，也可能是当前指令地址+12字节，至于是保存8字节的offset还是12字节的offset，则是由实现来确定的。

基于这个原因，应该要尽量避免使用STR或STM指令保存R15。

11. 程序状态寄存器分成CPSR（当前程序状态寄存器）和SPSR（备份程序状态寄存器）。

CPSR所有模式共用，而SPSR则是五个异常模式各有一个。

12. 程序状态寄存器中有两类信息，一类是程序控制码标志，一类是程序控制位。

除此两类使用的位外其他为保留位。

13. 程序状态寄存器中的程序控制码标志主要包含有N标志（负数标志）、Z标志（零标志）、C标志（进位标志）、V标志（溢出标志）和Q标志（DSP指令溢出或饱和标志）。

其中C 标志（进位标志）有四种情况：第一种是加法类指令，若产生进位则C标志置1；第二种是减法类指令，若有借位则置0，否则为1；第三种是移位指令，则C标志为被最后移出的位；最后一种是其他指令，C标志不产生变化。

V标志也分成两种情况：一种是加法或减法类指令，如果发生有符号溢出，则V标志置1；另一种是其他指令，V标志不变。

14. 程序状态寄存器中的程序控制位在CPSR或SPSR的最低八位，包含有I标志（IRQ中断使能）、F标志（FIQ中断使能）、T标志（ARM或Thumb指令选择位，T=1时是Thumb 指令模式）和M[4：0]模式位。

15. 异常是由导致处理器去处理某个事务的内部或外部的源产生的。

在异常处理前的处理器状态应该被保存，这样当异常处理完毕后，系统可以回来原来的处理器状态。

在同一时刻，可以有不止一个的异常产生。

16. ARM共支持七种类型的异常。

当异常发生时，系统会条转到对应某类异常的固定存储地址来进行执行。

这些固定的地址被称作异常向量。

一般它们占据了0x00000000-0x0000001C 的地址空间（高向量模式为0xFFFF0000-0xFFFF001C），其中地址0x00000014（高向量模式为0xFFFF0014）被保留做未来扩充使用。

17. ARM支持的异常是有优先级的，其中SWI（软件中断）和未定义指令不会同时发生，故此两种异常有相同的优先级。

中断优先级保证了在多个异常同时发生的情况下，系统将先进入高优先级异常的执行。

18. ARM支持两种不同的异常向量模式，即正常向量模式和高向量模式。

正常向量模式的地址空间是0x00000000-0x0000001C，而高向量模式的地址空间为0xFFFF0000-0xFFFF001C。

高向量模式需要硬件的支持，而ARM的CP15的Register 1的bit[13]提供了对正常向量模式和高向量模式的配置。

19. ARM支持的内存模式有大端和小端两种。

小端是指对齐位置的字节是对应的字节中的最小有效字节。

而大端是指对齐位置的字节是对应的字节中的最大有效字节。

大小端的设置可通过配置CP15的Register 1的bit[7]来实现。

20. ARM架构中要求指令和数据对齐，即ARM指令的地址最低两位bit[1：0]均为0（Thumb 指令bit[1]为0），而取32位数据时最低两位也应对齐。

如果出现非对齐，则可能的情况有非对齐指令预取和非对齐数据获取。

非对齐指令预取即R15中的地址是一个非对齐的地址，如果出现此情况，可能导致两种结果，一个是出现不可预测的情况，另一个则是忽略最低位的地址取指令。

而load/store类的指令读取了一个非对齐的内存地址，可能出现三种结果：第一是不可预测的情况；第二是忽略最低位实现读取；第三是对忽略最低位，取出数据，并将最低位作为控制位，实现对读取出的数据的旋转操作（仅限于LDR和SWP指令）。

21. ARM架构中PC（R15）保存的是当前指令地址+8（Thumb模式下为当前指令地址+4），原因是ARM内核会预取两条指令，因此PC会指向当前指令的后两条指令。

同时ARM架构支持跳转预测，即当发现跳转指令时，下面预取的指令既可能是跳转指令后接的指令，也可能是跳转目标地址的指令。

22. 理论上，存在这样的情况，即当ARM内核预取了指令后，存储中的对应指令却被修改了。

对于这种情况，ARM忽视这种变化，仍然执行已经预取的指令。

如果第二次再运行到此位置，则将执行修改的后的指令。

23. ARM体系结构中标准的实现I/O功能的方式是使用存储映射I/O（memory-mapped I/O）。

这种方式提供了特殊的一些存储地址，当对这些存储地址实施load或store操作，即实现了对应的I/O功能。

第二编ARM指令集1. 一条ARM指令的最高四位bit[31：28]为条件域（condition field），根据其值的不同来确定当前指令对CPSR中的N、Z、C和V标志的设置与否。

2. ARM指令集支持一个向前或向后32M范围内跳转的Branch指令。

如果是Branch and Link 指令，则除了支持向前或向后的32M范围跳转外，还能将跳转指令的下一条指令地址（返回地址）压入R14（LR）。

而在ARMv4以上支持T的版本中，还有Branch and Exchange指令，此指令可以拷贝通用寄存器Rm的值到PC中，而若其bit[0]为0，则进行ARM至Thumb 的切换。

3. ARM指令集中包含了状态寄存器获取指令MSR和MRS用来对CPSR和SPSR进行操作。

同时ARM指令集还提供了对协处理器的操作指令MCR和MRC。

4. SWI提供了软件中断的功能，此指令的bit[23：0]为一个立即数，ARM处理器会忽略这个立即数，但这个立即数可以提供异常处理程序使用。

第三编ARM寻址模式ARM总共支持五大类的寻址模式，分别是：数据处理操作模式（Data-Processing Operands）、加载和保存字或无符号字节模式（Load and Store Word or Unsigned Byte）、混合的加载和保存模式（Miscellaneous Loads and Stores）、多重的加载和保存模式（Load and Store Multiple）以及协处理器的加载和保护模式（Load and Store Coprocessor）。

第一节数据处理操作模式1. 数据处理操作模式的寻址从指令角度可以分为三类：1）立即数寻址，指令格式如下2）立即数位移寻址：3）寄存器位移寻址：2. 通用的数据处理操作模式的语法是：<opcode> {<cond>} {S} <Rd>, <Rn>, <shifter_operand>其中<shifter_operand>有11种可选属性，分别为1）#<immediate>属于立即数寻址类2）<Rm>属于立即数位移寻址类，是其的一种特殊形式，即直接根据<Rm>的值进行寻址，指令中的shift和shift_imm对应位均为03）<Rm>, LSL #<shift_imm>属于立即数位移寻址类，是根据<shift_imm>对<Rm>中的值进行逻辑（不带进位）左移位4）<Rm>, LSL <Rs>属于寄存器位移寻址类，用<Rs>的值乘以<Rm>的值来达到对<Rm>的值进行逻辑左位移的效果5）<Rm>, LSR #<shift_imm>属于立即数位移寻址类，是根据<shift_imm>对<Rm>中的值进行逻辑右移位6）<Rm>, LSR <Rs>属于寄存器位移寻址类，用<Rs>的值除以<Rm>的值来达到对<Rm>的值进行逻辑右位移的效果7）<Rm>, ASR #<shift_imm>属于立即数位移寻址类，是根据<shift_imm>对<Rm>中的值进行算术（带进位）右移位8）<Rm>, ASR <Rs>属于寄存器位移寻址类，用<Rs>的值对<Rm>的值进行算术右移位9）<Rm>, ROR #<shift_imm>属于立即数位移寻址类，根据<shift_imm>对<Rm>中的值进行右旋转10）<Rm>, ROR <Rs>属于寄存器位移寻址类，用<Rs>的值对<Rm>的值进行右旋转11）<Rm>, RRX属于寄存器位移寻址类，是其的一种特殊形式，根据CPSR中的Carry Flag的值来对<Rm>的值进行右旋转第二节加载和保存字或无符号字节模式1. 加载和保存字或无符号字节模式从指令角度可以分为三类：1）立即数偏移/索引2）寄存器偏移/索引3）按比例的寄存器偏移/索引2. 通用的加载和保存字或无符号字节模式的语法是：LDR|STR{<cond>} {B} {T} <Rd>, <addressing_mode>其中<addressing_mode>有九种可选属性，分别为：1）[<Rn>, #+/-<offser_12>]属于立即数偏移/索引类，寻址模式通过计算对基寄存器Rn加上或减去一个12位立即数偏移来计算寻址地址2）[<Rn>, +/-<Rm>]属于寄存器偏移/索引类，寻址模式通过计算对基寄存器Rn加上或减去索引寄存器Rm的值来计算寻址地址3）[<Rn>, +/-<Rm>, <shift> #<shift_imm>]属于按比例的寄存器偏移/索引类，寻址模式通过计算对基寄存器Rn加上或减去对索引寄存器Rm值的偏移或旋转的结果来计算寻址地址4）[<Rn>, #+/-<offset_12>]！属于立即数偏移/索引类，寻址模式通过计算对基寄存器Rn加上或减去一个12位立即数偏移来计算寻址地址，同时如果条件域中的值与CPSR中的对应位匹配，则新产生的地址会被写回Rn中5）[<Rn>, +/-<Rm>]！属于寄存器偏移/索引类，寻址模式通过计算对基寄存器Rn加上或减去索引寄存器Rm的值来计算寻址地址，同时如果条件域中的值与CPSR中的对应位匹配，则新产生的地址会被写回Rn中6）[<Rn>, +/-<Rm>, <shift> #<shift_imm>]！属于按比例的寄存器偏移/索引类，寻址模式通过计算对基寄存器Rn加上或减去对索引寄存器Rm值的偏移或旋转的结果来计算寻址地址，同时如果条件域中的值与CPSR中的对应位匹配，则新产生的地址会被写回Rn中7）[<Rn>], #+/-<offset_12>属于立即数偏移/索引类，寻址模式使用Rn的值作为当前存储获取的地址，同时如果条件域中的值与CPSR中的对应位匹配，则将基寄存器Rn加上或减去一个12位立即数偏移写回Rn中8）[<Rn>], +/-<Rm>属于寄存器偏移/索引类，寻址模式使用Rn的值作为当前存储获取的地址，同时如果条件域中的值与CPSR中的对应位匹配，则将基寄存器Rn加上或减去索引寄存器Rm的值的结果写回Rn中9）[<Rn>], +/-<Rm>, <shift> #<shift_imm>属于按比例的寄存器偏移/索引类，寻址模式使用Rn的值作为当前存储获取的地址，同时如果条件域中的值与CPSR中的对应位匹配，则将基寄存器Rn加上或减去对索引寄存器Rm 值的偏移或旋转的结果写回Rn中第三节混合的加载和保存模式1. 混合的加载和保存模式从指令角度可以分为两类：1）立即数偏移/索引2）寄存器偏移/索引2. 通用的混合的加载和保存模式的语法是：LDR | STR{<cond>}H|SH|SB|D <Rd>, <addressing_mode>其中<addressing_mode>有六种可选属性，分别为：1）[<Rn>, #+/-<offset_8>]属于立即数偏移/索引类，寻址模式通过计算对基寄存器Rn加上或减去一个8位立即数偏移来计算寻址地址2）[<Rn>, +/-<Rm>]属于寄存器偏移/索引类，寻址模式通过计算对基寄存器Rn加上或减去索引寄存器Rm的值来计算寻址地址3）[<Rn>, #+/-<offset_8>]！属于立即数偏移/索引类，寻址模式通过计算对基寄存器Rn加上或减去一个8位立即数偏移来计算寻址地址，同时如果条件域中的值与CPSR中的对应位匹配，则新产生的地址会被写回Rn中4）[<Rn>, +/-<Rm>]！属于寄存器偏移/索引类，寻址模式通过计算对基寄存器Rn加上或减去索引寄存器Rm的值来计算寻址地址，同时如果条件域中的值与CPSR中的对应位匹配，则新产生的地址会被写回Rn中5）[<Rn>], #+/-<offset_8>属于立即数偏移/索引类，寻址模式使用Rn的值作为当前存储获取的地址，同时如果条件域中的值与CPSR中的对应位匹配，则将基寄存器Rn加上或减去一个8位立即数偏移写回Rn 中6）[<Rn>], +/-<Rm>属于寄存器偏移/索引类，寻址模式使用Rn的值作为当前存储获取的地址，同时如果条件域中的值与CPSR中的对应位匹配，则将基寄存器Rn加上或减去索引寄存器Rm的值的结果写回Rn中第四节多重的加载和保存模式1. 多重的加载和保存模式的指令格式是：此类寻址模式会产生一个地址范围，分别为<start_address>和<end_address>。