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