詳解ARM處理寄存器與用戶模式

ARM處理器共有37個(gè)寄存器，被分為若干個(gè)組(BANK)，這些寄器包括：

● 31個(gè)通用寄存器，包括程序計(jì)數(shù)器(PC指針)，均為32位的寄存器。

● 6個(gè)狀態(tài)寄存器，用以標(biāo)識(shí)CPU的工作狀態(tài)及程序的運(yùn)行狀態(tài)，均為32位，目前只使用了其中的一部分。

ARM微處理器支持7種運(yùn)行模式，分別為：

● usr(用戶模式)：ARM處理器正常程序執(zhí)行模式。

● fiq(快速中斷模式)：用于高速數(shù)據(jù)傳輸或通道處理

● irq(外部中斷模式)：用于通用的中斷處理

● svc(管理模式)：操作系統(tǒng)使用的保護(hù)模式

● abt (數(shù)據(jù)訪問(wèn)終止模式)： 當(dāng)數(shù)據(jù)或指令預(yù)取終止時(shí)進(jìn)入該模式，可用于虛擬存儲(chǔ)及存儲(chǔ)保護(hù)。

● sys(系統(tǒng)模式)： 運(yùn)行具有特權(quán)的操作系統(tǒng)任務(wù)。

● und(未定義指令中止模式)：當(dāng)未定義的指令執(zhí)行時(shí)進(jìn)入該模式，可用于支持硬件協(xié)處理器的軟件仿真。

ARM微處理器的運(yùn)行模式可以通過(guò)軟件改變，也可以通過(guò)外部中斷或異常處理改變。

大多數(shù)的應(yīng)用程序運(yùn)行在用戶模式下，當(dāng)處理器運(yùn)行在用戶模式下時(shí)，某些被保護(hù)的系統(tǒng)資源是不能被訪問(wèn)的。

除用戶模式以外，其余的所有6種模式稱之為非用戶模式，或特權(quán)模式(Privileged Modes);其中除去用戶模式和系統(tǒng)模式以外的5種又稱為異常模式(Exception Modes)，常用于處理中斷或異常，以及需要訪問(wèn)受保護(hù)的系統(tǒng)資源等情況。

ARM處理器在每一種處理器模式下均有一組相應(yīng)的寄存器與之對(duì)應(yīng)。即在任意一種處理器模式下，可訪問(wèn)的寄存器包括15個(gè)通用寄存器(R0～R14)、一至二個(gè)狀態(tài)寄存器和程序計(jì)數(shù)器。在所有的寄存器中，有些是在7種處理器模式下共用的同一個(gè)物理寄存器，而有些寄存器則是在不同的處理器模式下有不同的物理寄存器。

ARM處理器有32位ARM和16位Thumb兩種工作狀態(tài)。在32位ARM狀態(tài)下執(zhí)行字對(duì)齊的ARM指令，在16位Thumb狀態(tài)下執(zhí)行半字對(duì)齊的Thumb指令。

在Thumb狀態(tài)下，程序計(jì)數(shù)器PC(Program Counter)使用位[1]選擇另一個(gè)半字。

ARM處理器在兩種工作狀態(tài)之間可以切換，切換不影響處理器的模式或寄存器的內(nèi)容。

(1)當(dāng)操作數(shù)寄存器的狀態(tài)位(位[0])為1時(shí)，執(zhí)行BX指令進(jìn)入Thumb狀態(tài)。如果處理器在Thumb狀態(tài)進(jìn)入異常，則當(dāng)異常處理(IRQ、FIQ、Undef、Abort和SWI)返回時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)換到Thumb狀態(tài)。

(2)當(dāng)操作數(shù)寄存器的狀態(tài)位(位[0])為0時(shí)，執(zhí)行BX指令進(jìn)入ARM狀態(tài)，處理器進(jìn)行異常處理(IRQ、FIQ、Reset、Undef、Abort和SWI)。在此情況下，把PC放入異常模式鏈接寄存器中。從異常向量地址開始執(zhí)行也可以進(jìn)入ARM狀態(tài)。

n ARM處理器的寄存器組織

ARM處理器的37個(gè)寄存器被安排成部分重疊的組，不能在任何模式都可以使用，寄存器的使用與處理器狀態(tài)和工作模式有關(guān)。如圖2.3.1所示，每種處理器模式使用不同的寄存器組。其中15個(gè)通用寄存器(R0～R14)、1或2個(gè)狀態(tài)寄存器和程序計(jì)數(shù)器是通用的。

通用寄存器

通用寄存器(R0～R15)可分成不分組寄存器R0～R7、分組寄存器R8～R14和程序計(jì)數(shù)器R15 三類。

(1)不分組寄存器R0～R7

不分組寄存器R0～R7是真正的通用寄存器，可以工作在所有的處理器模式下，沒(méi)有隱含的特殊用途。

(2)分組寄存器R8～R14

分組寄存器R8～R14取決于當(dāng)前的處理器模式，每種模式有專用的分組寄存器用于快速異常處理。

寄存器R8～Rl2可分為兩組物理寄存器。一組用于FIQ模式，另一組國(guó)用于除FIQ以外的其他模式。第1組訪問(wèn)R8_fiq～R12_fiq，允許快速中斷處理。第二組訪問(wèn)R8_usr～R12_usr，寄存器R8～R12沒(méi)有任何指定的特殊用途。

表明用戶或系統(tǒng)模式使用的一般寄存器己被異常模式特定的另一寄存器所替代。

寄存器R13～R14可分為6個(gè)分組的物理寄存器。1個(gè)用于用戶模式和系統(tǒng)模式，而其他5個(gè)分別用于svc、abt、und、irq和fiq五種異常模式。訪問(wèn)時(shí)需要指定它們的模式，如：R13_，R14_;其中：可以從usr、svc、abt、und、irq和fiq六種模式中選取一個(gè)。

寄存器R13通常用作堆棧指針，稱作SP。每種異常模式都有自己的分組R13。通常R13應(yīng)當(dāng)被初始化成指向異常模式分配的堆棧。在入口處，異常處理程序?qū)⒂玫降钠渌拇嫫鞯闹当４娴蕉褩Ｖ?返回時(shí)，重新將這些值加載到寄存器。這種異常處理方法保證了異常出現(xiàn)后不會(huì)導(dǎo)致執(zhí)行程序的狀態(tài)不可靠。

寄存器R14用作子程序鏈接寄存器，也稱為鏈接寄存器LK (Link Register)。當(dāng)執(zhí)行帶鏈接分支(BL)指令時(shí)，得到R15的備份。 在其他情況下，將R14當(dāng)做通用寄存器。類似地，當(dāng)中斷或異常出現(xiàn)時(shí)，或當(dāng)中斷或異常程序執(zhí)行BL指令時(shí)，相應(yīng)的分組寄存器R14_svc、R14_irq、R14_fiq、R14_abt和R14_und用來(lái)保存R15的返回值。

FIQ模式有7個(gè)分組的寄存器R8～R14，映射為R8_fiq～R14_fiq。在ARM狀態(tài)下，許多FIQ處理沒(méi)必要保存任何寄存器。User、IRQ、Supervisor、Abort和Undefined模式每一種都包含兩個(gè)分組的寄存器R13和R14的映射，允許每種模式都有自己的堆棧和鏈接寄存器。

(3)程序計(jì)數(shù)器R15

寄存器R15用作程序計(jì)數(shù)器(PC)。在ARM狀態(tài)，位[1:0]為0，位[31:2]保存PC。在Thumb狀態(tài)，位[0]為0，位[31:1]保存PC。R15雖然也可用作通用寄存器，但一般不這么使用，因?yàn)閷?duì)R15的使用有一些特殊的限制，當(dāng)違反了這些限制時(shí)，程序的執(zhí)行結(jié)果是未知的。

① 讀程序計(jì)數(shù)器。指令讀出的R15的值是指令地址加上8字節(jié)。由于ARM指令始終是字對(duì)齊的，所以讀出結(jié)果值的位[1:0]總是0(在Thumb狀態(tài)下，情況有所變化)。讀PC主要用于快速地對(duì)臨近的指令和數(shù)據(jù)進(jìn)行位置無(wú)關(guān)尋址，包括程序中的位置無(wú)關(guān)轉(zhuǎn)移。

② 寫程序計(jì)數(shù)器。寫R15的通常結(jié)果是將寫到R15中的值作為指令地址，并以此地址發(fā)生轉(zhuǎn)移。由于ARM指令要求字對(duì)齊，通常希望寫到R15中值的位[1:0]=0b00。

由于ARM體系結(jié)構(gòu)采用了多級(jí)流水線技術(shù)，對(duì)于ARM指令集而言，PC總是指向當(dāng)前指令的下兩條指令的地址，即PC的值為當(dāng)前指令的地址值加8個(gè)字節(jié)。[!--empirenews.page--]

程序狀態(tài)寄存器

寄存器R16用作程序狀態(tài)寄存器CPSR(Current Program Status Register，當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器)。在所有處理器模式下都可以訪問(wèn)CPSR。CPSR包含條件碼標(biāo)志、中斷禁止位、當(dāng)前處理器模式以及其他狀態(tài)和控制信息。每種異常模式都有一個(gè)程序狀態(tài)保存寄存器SPSR(Saved Program Status Register)。當(dāng)異常出現(xiàn)SPSR用于保留CPSR的狀態(tài)。

CPSR和SPSR的格式如下：

(1)條件碼標(biāo)志

N、Z、C、V(Negative、Zero、Carry、oVerflow)均為條件碼標(biāo)志位(Condition Code Flags)，它們的內(nèi)容可被算術(shù)或邏輯運(yùn)算的結(jié)果所改變，并且可以決定某條指令是否被執(zhí)行。CPSR中的條件碼標(biāo)志可由大多數(shù)指令檢測(cè)以決定指令是否執(zhí)行。在ARM狀態(tài)下，絕大多數(shù)的指令都是有條件執(zhí)行的。在Thumb狀態(tài)下，僅有分支指令是有條件執(zhí)行的。通常條件碼標(biāo)志通過(guò)執(zhí)行比較指令(CMN、CMP、TEQ、TST)、一些算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算和傳送指令進(jìn)行修改。

條件碼標(biāo)志的通常含義如下：

N：如果結(jié)果是帶符號(hào)二進(jìn)制補(bǔ)碼，那么，若結(jié)果為負(fù)數(shù)，則N=1;若結(jié)果為正數(shù)或0，則N=0。

Z：若指令的結(jié)果為0，則置1(通常表示比較的結(jié)果為“相等”)，否則置0。

C：可用如下4種方法之一設(shè)置：

一-加法(包括比較指令CMN)。若加法產(chǎn)生進(jìn)位(即無(wú)符號(hào)溢出)，則C置1;否則置0。

一-減法(包括比較指令CMP)。若減法產(chǎn)生借位(即無(wú)符號(hào)溢出)，則C置0;否則置1。

一-對(duì)于結(jié)合移位操作的非加法/減法指令，C置為移出值的最后1位。

一-對(duì)于其他非加法/減法指令，C通常不改變。

V：可用如下兩種方法設(shè)置，即

一-對(duì)于加法或減法指令，當(dāng)發(fā)生帶符號(hào)溢出時(shí)，V置1，認(rèn)為操作數(shù)和結(jié)果是補(bǔ)碼形式的帶符號(hào)整數(shù)。

一-對(duì)于非加法/減法指令，V通常不改變。

(3)控制位

程序狀態(tài)寄存器PSR(Program Status Register)的最低8位I、F、T和M[4：0]用作控制位。當(dāng)異常出現(xiàn)時(shí)改變控制位。處理器在特權(quán)模式下時(shí)也可由軟件改變。

a.中斷禁止位

I：置1，則禁止IRQ中斷;

F：置1，則禁止FIQ中斷。

b.T位

T=0 指示ARM執(zhí)行;

T=1 指示Thumb執(zhí)行。

c.模式控制位

M4、M3、M2、Ml和M0(M[4:0])是模式位，決定處理器的工作模式，如表所列。

M[4：0]工作模式可訪問(wèn)的寄存器

10000用戶模式PC，CPSR，R14～R0

10001FIQ模式PC，R7～R0，CPSR, SPSR_fiq，R14_fiq～R8_fiq

10010IRQ模式PC，R12～R0，CPSR, SPSR_irq，R14_irq，R13_irq

10011管理模式PC，R12～R0, CPSR, SPSR_svc，R14_svc，R13_svc

10111中止模式PC，R12～R0, CPSR, SPSR_abt，R14_abt，R13_abt

11011未定義模式PC，R12～R0, CPSR, SPSR_und，R14_und，R13_und

11111系統(tǒng)模式PC，R14～R0，CPSR(ARM v4及以上版本)

并非所有的模式位組合都能定義一種有效的處理器模式。其他組合的結(jié)果不可預(yù)知。

(4)其他位

程序狀態(tài)寄存器的其他位保留，用做以后的擴(kuò)展。