Arm处理器模式与寄存器分配

ARM处理器状态

ARM微处理器的工作状态一般有两种，并可在两种状态之间切换：

第一种为ARM状态，此时处理器执行32位的字对齐的ARM指令；

第二种为Thumb状态，此时处理器执行16位的、半字对齐的Thumb指令。

在程序的执行过程中，微处理器可以随时在两种工作状态之间切换，并且，处理器工作状态的转变并不影响处理器的工作模式和相应寄存器中的内容。但ARM微处理器在开始执行代码时，应该处于ARM状态。

 

ARM处理器状态

进入Thumb状态：当操作数寄存器的状态位（位0）为1时，可以采用执行BX指令的方法， 使微处理器从ARM状态切换到Thumb状态。此外，当处理器处于Thumb状态时发生异常（如IRQ、FIQ、Undef、Abort、SWI等），则 异常处理返回时，自动切换到Thumb状态。

进入ARM状态：当操作数寄存器的状态位为0时，执行BX指令时可以使微处理器从Thumb状态切换到ARM状态。此外，在处理器进行异常处理时，把PC指针放入异常模式链接寄存器中，并从异常向量地址开始执行程序，也可以使处理器切换到ARM状态。

 

ARM处理器模式

ARM微处理器支持7种运行模式，分别为：

用户模式(usr)：ARM处理器正常的程序执行状态。

快速中断模式(fiq)：用于高速数据传输或通道处理。

外部中断模式(irq)：用于通用的中断处理。

管理模式(svc)：操作系统使用的保护模式。

数据访问终止模式(abt)：当数据或指令预取终止时进入该模式，可用于虚拟存储及存储保护。

系统模式(sys)：运行具有特权的操作系统任务。

定义指令中止模式(und)：当未定义的指令执行时进入该模式，可用于支持硬件协处理器的软件仿真。

 

ARM微处理器共有37个32位寄存器，其中31个为通用寄存器，6个为状态寄存器。但是这些寄存器不能被同时访问，具体哪些寄存器是可编程访问的，取决 微处理器的工作状态及具体的运行模式。但在任何时候，通用寄存器R14～R0、程序计数器PC、一个或两个状态寄存器都是可访问的。

一、ARM工作状态下的寄存器组织
通用寄存器：
通用寄存器包括R0～R15，可以分为三类：
        ─ 未分组寄存器R0～R7；
        ─ 分组寄存器R8～R14
        ─ 程序计数器PC(R15)
未分组寄存器R0～R7：
       在所有的运行模式下，未分组寄存器都指向同一个物理寄存器，他们未被系统用作特殊的用途，因此，在中断或异常处理进行运行模式转换时，由于不同的处理器运行模式均使用相同的物理寄存器，可能会造成寄存器中数据的破坏，这一点在进行程序设计时应引起注意。
分组寄存器R8～R14
       对于分组寄存器，他们每一次所访问的物理寄存器与处理器当前的运行模式有关。
       对于R8～R12来说，每个寄存器对应两个不同的物理寄存器，当使用fiq模式时，访问寄存器R8_fiq～R12_fiq；当使用除fiq模式以外的其他模式时，访问寄存器R8_usr～R12_usr。
       对于R13、R14来说，每个寄存器对应6个不同的物理寄存器，其中的一个是用户模式与系统模式共用，另外5个物理寄存器对应于其他5种不同的运行模式。
采用以下的记号来区分不同的物理寄存器：
R13_
R14_
其中，mode为以下几种模式之一：usr、fiq、irq、svc、abt、und。
       寄存器R13在ARM指令中常用作堆栈指针，但这只是一种习惯用法，用户也可使用其他的寄存器作为堆栈指针。而在Thumb指令集中，某些指令强制性的要求使用R13作为堆栈指针。
       由于处理器的每种运行模式均有自己独立的物理寄存器R13，在用户应用程序的初始化部分，一般都要初始化每种模式下的R13，使其指向该运行模式的栈空 间，这样，当程序的运行进入异常模式时，可以将需要保护的寄存器放入R13所指向的堆栈，而当程序从异常模式返回时，则从对应的堆栈中恢复，采用这种方式 可以保证异常发生后程序的正常执行。
       R14也称作子程序连接寄存器（Subroutine Link Register）或连接寄存器LR。当执行BL子程序调用指令时，R14中得到R15（程序计数器PC）的备份。其他情况下，R14用作通用寄存器。与 之类似，当发生中断或异常时，对应的分组寄存器R14_svc、R14_irq、R14_fiq、R14_abt和R14_und用来保存R15的返回 值。
寄存器R14常用在如下的情况：
       在每一种运行模式下，都可用R14保存子程序的返回地址，当用BL或BLX指令调用子程序时，将PC的当前值拷贝给R14，执行完子程序后，又将R14的值拷贝回PC，即可完成子程序的调用返回。以上的描述可用指令完成：
1、执行以下任意一条指令：
MOV PC，LR
BX LR
2、在子程序入口处使用以下指令将R14存入堆栈：
STMFD SP！,{,LR}
对应的，使用以下指令可以完成子程序返回：
LDMFD SP！,{,PC}
R14也可作为通用寄存器。
程序计数器PC(R15)
       寄存器R15用作程序计数器（PC）。在ARM状态下，位[1:0]为0，位[31:2]用于保存PC；在Thumb状态下，位[0]为0，位 [31:1]用于保存PC；虽然可以用作通用寄存器，但是有一些指令在使用R15时有一些特殊限制，若不注意，执行的结果将是不可预料的。在ARM状态 下，PC的0和1位是0，在Thumb状态下，PC的0位是0。
       R15虽然也可用作通用寄存器，但一般不这么使用，因为对R15的使用有一些特殊的限制，当违反了这些限制时，程序的执行结果是未知的。
       由于ARM体系结构采用了多级流水线技术，对于ARM指令集而言，PC总是指向当前指令的下两条指令的地址，即PC的值为当前指令的地址值加8个字节。

       在ARM状态下，任一时刻可以访问以上所讨论的16个通用寄存器和一到两个状态寄存器。在非用户模式（特权模式）下，则可访问到特定模式分组寄存器，图2.3说明在每一种运行模式下，哪一些寄存器是可以访问的。
寄存器R16：
       寄存器R16用作CPSR(Current Program Status Register，当前程序状态寄存器)，CPSR可在任何运行模式下被访问，它包括条件标志位、中断禁止位、当前处理器模式标志位，以及其他一些相关的控制和状态位。
       每一种运行模式下又都有一个专用的物理状态寄存器，称为SPSR（Saved Program Status Register，备份的程序状态寄存器），当异常发生时，SPSR用于保存CPSR的当前值，从异常退出时则可由SPSR来恢复CPSR。
       由于用户模式和系统模式不属于异常模式，他们没有SPSR，当在这两种模式下访问SPSR，结果是未知的。
二、Thumb工作状态下的寄存器组织
       Thumb状态下的寄存器集是ARM状态下寄存器集的一个子集，程序可以直接访问8个通用寄存器（R7～R0）、程序计数器（PC）、堆栈指针（SP）、 连接寄存器（LR）和CPSR。同时，在每一种特权模式下都有一组SP、LR和SPSR。图2.4表明Thumb状态下的寄存器组织。

Thumb状态下的寄存器组织与ARM状态下的寄存器组织的关系：
       ─ Thumb状态下和ARM状态下的R0～R7是相同的。
       ─ Thumb状态下和ARM状态下的CPSR和所有的SPSR是相同的。
       ─ Thumb状态下的SP对应于ARM状态下的R13。
       ─ Thumb状态下的LR对应于ARM状态下的R14。
       ─ Thumb状态下的程序计数器对应于ARM状态下R15
以上的对应关系如图2.5所示：

访问THUMB状态下的高位寄存器（Hi-registers）：
       在Thumb状态下，高位寄存器R8～R15并不是标准寄存器集的一部分，但可使用汇编语言程序受限制的访问这些寄存器，将其用作快速的暂存器。使用带特 殊变量的MOV指令，数据可以在低位寄存器和高位寄存器之间进行传送；高位寄存器的值可以使用CMP和ADD指令进行比较或加上低位寄存器中的值。

程序状态寄存器
       ARM体系结构包含一个当前程序状态寄存器（CPSR）和五个备份的程序状态寄存器（SPSRs）。备份的程序状态寄存器用来进行异常处理，其功能包括：
      ─ 保存ALU中的当前操作信息
      ─ 控制允许和禁止中断
      ─ 设置处理器的运行模式
程序状态寄存器的每一位的安排如图2.6所示：

条件码标志（Condition Code Flags）
       N、Z、C、V均为条件码标志位。它们的内容可被算术或逻辑运算的结果所改变，并且可以决定某条指令是否被执行。
       在ARM状态下，绝大多数的指令都是有条件执行的。
       在Thumb状态下，仅有分支指令是有条件执行的。