ARM的工作模式和寄存器

ARM架構是構建每個ARM處理器的基礎。

目前最新的是ARM v8架構：http://www.arm.com/zh/products/processors/instruction-set-architectures/armv8-architecture.php

ARMv8-A 將 64 位架構支持引入 ARM 架構中，其中包括：64 位通用寄存器、SP（堆棧指針）和 PC（程序計數器）64 位數據處理和擴展的虛擬尋址兩種主要執行狀態：AArch64 - 64 位執行狀態，包括該狀態的異常模型、內存模型、程序員模型和指令集支持AArch32 — 32 位執行狀態，包括該狀態的異常模型、內存模型、程序員模型和指令集支持這些執行狀態支持三個主要指令集：A32（或 ARM）：32 位固定長度指令集，通過不同架構變體增強部分 32 位架構執行環境現在稱為 AArch32。T32 (Thumb) 是以 16 位固定長度指令集的形式引入的，隨后在引入 Thumb-2 技術時增強為 16 位和 32 位混合長度指令集。部分 32 位架構執行環境現在稱為 AArch32。A64：提供與 ARM 和 Thumb 指令集類似功能的 32 位固定長度指令集。隨 ARMv8-A 一起引入，它是一種 AArch64 指令集。 ARM ISA 不斷改進，以滿足前沿應用程序開發人員日益增長的要求，同時保留了必要的向后兼容性，以保護軟件開發投資。在 ARMv8-A 中，對 A32 和 T32 進行了一些增補，以保持與 A64 指令集一致。

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ARM共有七種工作模式

1 用戶模式(User):用于正常執行程序

2 系統模式(Sys)：運行具有特權的操作系統任務

3 快速中斷模式(FIQ)：用于高速數據傳輸和通道處理

4 外部中斷模式(IRQ)：用于通常的中斷處理

5 管理模式(svc)：操作系統使用的保護模式

6 數據訪問終止模式(abt)：當數據或指令預取終止時進入，可用于虛擬存儲及存儲保護（有待檢驗）

7 未定義指令終止模式(Und)：當未定義的指令執行時進入該模式，可用于支持硬件協處理器的軟件仿真（有待檢驗）

ARM的寄存器

ARM共有37個寄存器，其中31個通用寄存器和6個狀態寄存器。這些寄存器不能被同時訪問，但在每種工作模式下都可訪問16個通用寄存器(R0~R15),和一個或兩個狀態寄存器(cpsr、spsr)。

31個通用寄存器可以分成三類：

1 未分組寄存器(R0~R7)

　　在每一種工作模式下未分組寄存器都指向同一個物理寄存器

2 分組寄存器(R8~R14)

　　對于分組寄存器，不同工作模式訪問的物理寄存器不同。對于R8~R12而言，每個寄存器對應兩個不同的物理寄存器，當處于快速中斷模式時訪問R8_fiq~R12_fiq，當處于非快速中斷模式時訪問R8_usr~R12_usr。

　　對于R13和R14寄存器來說，每個寄存器對應6個物理寄存器。其中一個是用戶模式和系統模式共用，其他5個物理寄存器對應5個異常模式，并采用R13_ /R14_ 來區分。寄存器R13在ARM指令中常用作堆棧指針，用戶也可以用其它寄存器作為堆棧指針，而在Thumb指令集中，某些指令強制要求R13作為堆棧指針。由于處理器的每種運行模式均有自己獨立的物理寄存器R13，在用戶應用程序的初始化部分，一般都要初始化每種模式下的R13，使其指向該運行模式的棧空間。這樣，當程序的運行進入異常模式時，可以將需要保護的寄存器放入R13所指向的堆棧，而當程序從異常模式返回時，則從對應的堆棧中恢復，采用這種方式可以保證異常發生后程序的正常執行。寄存器R14稱為鏈接寄存器(Link Register),當執行子程序調用指令(BL)時,R14可得到R15(程序計數器PC)的備份。在每一種運行模式下，都可用R14保存子程序的返回地址，當用BL或BLX指令調用子程序時，將PC的當前值給R14，執行完子程序后，又將R14的值回PC，即可完成子程序的調用返回。

3 程序計數器pc(R15)

　　寄存器R15用作程序計數器(PC),在ARM狀態下,位[1:0]為0,位[31:2]用于保存PC,在Thumb狀態下,位[0]為0,位[31:1]用于保存PC.由于ARM體系結構采用了多級流水線技術，對于ARM指令集而言，PC總是指向當前指令的下兩條指令的地址,即PC的值為當前指令的地址值加8個字節。

6個狀態寄存器：

寄存器R16用作CPSR(CurrentProgram Status Register，當前程序狀態寄存器)，CPSR可在任何運行模式下被訪問，它包括條件標志位、中斷禁止位、當前處理器模式標志位，以及其他一些相關的控制和狀態位。每一種運行模式下又都有一個專用的物理狀態寄存器，稱為SPSR(Saved Program Status Register，備份的程序狀態寄存器)，當異常發生時，SPSR用于保存CPSR的當前值，從異常退出時則可由SPSR來恢復CPSR。由于用戶模式和系統模式不屬于異常模式，它們沒有SPSR，當在這兩種模式下訪問SPSR，結果是未知的。
　　控制位：PSR的低8位(包括I,F,T和M[4:0])稱為控制位,當發生異常時這些位可以被改變,如果處理器運行特權模式,這些位也可以由程序修改.

　　標志位：(不可手動修改)

　　N,Z,C,V均為條件碼標志位,它們的內容可被算術或邏輯運算的結果所改變,并且可以決定某條指令是否被執行.
　　在ARM狀態下,絕大多數的指令都是有條件執行的,在Thumb狀態下,僅有分支指令是有條件執行的.

　　N(Negative):當用兩個補碼表示的帶符號數進行運行時,N=1表示運行結果為負,N=0表示運行結果為正或零
　　Z:(Zero):Z=1表示運算結果為零,Z=0表示運行結果非零
　　C:(Carry)加法運算:當運算結果產生了進位時C=1,否則C=0
　　　　減法運算:當運算產生了借位,C=0否則C=1
　　　　對于包含移位操作的非加/減運算指令 ,C為移出值的最后一位
　　　　對于其他的非加/減運算指令C的值通常不改變
　　V:(OVerflow)對于加/減法運算指令,當操作數和運算結果為二進制的被碼表示的帶符注意力時,V=1表示符號位溢出.對于其他的非加/減運算指令V的值通常不改變

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