詳解ARM Cortex-A32處理器 打造超高能效嵌入式環境

操作模式

如2圖所示，ARMv7-M僅定義兩種操作模式，線程模式與處理器模式。處理器模式可以設置為普通模式，也就是說，在不需要時，軟件可以不啟用該特性。處理器模式主要被用于處理異常情況，線性模式則用于用戶進程。模式間的轉化基本上是自動的，發生條件如圖所示。如異常情況發生，處理器模式自動啟用，異常處理完成后，處理器模式自動退出。SVCall指令是軟件進入處理器模式的主要方法(將啟動的IRQ設定為未決，可令處理器執行異常操作)。

圖2： ARMv7-M操作模式

對比圖3，圖2顯示的是AArch32執行態下支持的操作模式?；镜牟僮髂Ｊ接衅叻N，其中五種用于處理特定異常。如發生快速中斷(Fast Interrupt，FIQ)異常，則會進入FIQ模式;如出現未定義指令，則進入Undef模式，諸如此類。

圖3： AArch32操作模式

模式間的轉換通常自動執行，但是如果在現程序狀態寄存器(Current Program Status Register，CPSR)中寫入模式字段，則可完全由軟件控制進行模式轉換，具體細節稍后再做說明。與SVCall指令類似，SVC指令可以支持軟件處理SVC異常，并進入SVC模式。

AArch32還支持其他兩種模式，但未在圖中顯示(僅為節省版面空間)。它們分別是Hyp模式(用于管理程序)和監控模式(用于TrustZone)。

寄存器組

圖4及圖5分別介紹了ARMv7-M 和 AArch32寄存器組。從圖中可以看出，兩種寄存器有許多相似之處，這是因為兩者皆承襲了ARMv6及早期架構的共同特性。

多數指令可以訪問13個通用寄存器(r0至r12)。兩種架構下，r13預設為棧指針(SP)，r14預設為連接寄存器(LR)，r15預設為程序計數器(PC)。ARMv7-M架構下，訪問專用寄存器受到嚴格限制;AArch32下，可以用與其他通用寄存器相同的方式訪問這些寄存器;不過無需多言，擅自修改PC值可能會產生不良后果!

圖4：ARMv7-M寄存器組 圖5- AArch32寄存器組

ARMv7-M是一小組其他專用寄存器，包括PRIMASK、FAULTMASK、xPSR、CONTROL及BASEPRI，用于控制、配置處理器及處理異常情況。

指令集

如圖5所示，AArch32還有一些與特定操作模式相關的寄存器。如進入對應的模式下，這些寄存器會與相應的用戶模式切換。只有極少數特殊指令能夠訪問，并且還無法直接訪問。這些數值隨著模式變化被保存，以輔助異常處理。特別值得指出的是，每種異常模式都對應獨立的棧指針，從而能夠在單獨堆棧上解決每個異常狀況。這就讓異常處理程序更可靠、防御性更強。異常出現后，相關模式的連接寄存器會被設定為異常返回地址。

每種異常模式都對應一個附加寄存器，即程序保護狀態寄存器(SPSR)。程序保護狀態寄存器用于出現異常時及時記錄當前的程序狀態寄存器數值以及LR，從而自動保存相關數據。另外，AArch32的圖示中未顯示Mon與Hyp模式。與其他模式一樣，它們分別支持R13與R14分組寄存器。

Cortex-A架構下，有一個與ARM NEON SIMD指令集相關的獨立寄存器組，包含32個128位寬寄存器。每個寄存器都可作為單字、雙字或四倍字尋址，NEON指令集也支持依據字節或四倍字進行向量運算。

異常模型

上述兩個架構的異常模型具有顯著差異，但兩者都支持因系統事件或外圍中斷引起的內部及外部異常。

ARMv7-M支持與傳統微控制器上發現的異常更相近的模型，所有外部中斷都通過含有處理器地址的向量表單獨進行向量處理。

AArch32與早期ARM架構中的異常模型更相近，早期的ARM架構中僅有8種異常類型，向量也各不相同。向量表由可執行指令組成，通常是特定異常處理器的分支指令。僅支持兩種外部中斷源，即FIQ和IRQ。通常，一個高優先級中斷會連接FIQ，其他則連接IRQ。這意味著系統要么裝有軟件調度程序，要么就要和現代系統一樣裝有中斷向量控制器(Vectored Interrupt Controller，VIC)，可以利用單一向量地址進行編程。

多數Cortex-A系統裝有基于ARM的通用中斷控制器(Generic Interrupt Controller，GIC)。GIC是許多物理中斷和ARM核心中斷輸入(FIQ和IRQ)的接口，處理優先次序、遮蔽、單一中斷啟用或禁止，及優先權。欲了解更多信息，請參考《GIC架構參考手冊》。

虛擬內存支持

支持完全虛擬內存環境是ARMv8-A的一個主要特性，使設備可以支持Linux和Android等平臺操作系統。同樣，虛擬內存能力通常也是客戶選擇核心的重要依據。

虛擬內存環境使操作系統能夠以更加靈活的方式管理內存，例如，允許單獨處理動態擴展棧區域，按照需求將單個代碼和數據區域調入和調出外部存儲頁面，并使每個用戶處理系統內存映射的相同視圖。

圖6：虛擬內存

為此，如圖6所示，虛擬內存在處理器提供的每個地址上進行“轉換”。軟件在“虛擬地址空間”和稱為內存管理單元(Memory Management Unit，MMU)的模塊中運行，并將其轉換為“物理地址空間”，為系統中的每個用戶任務以及操作系統本身創建新的虛擬內存映射，還使操作系統完全控制訪問權限等。每項任務都可以在自身的虛擬內存空間中執行，就像是系統中的唯一任務。只有操作系統知道外部物理內存中該任務的代碼和數據區域的真實物理位置。