C语言面试之旅：掌握基础，探索深度（面试实战之ARM架构一）

        从前不会回头，往后不会将就。

                                                                                                                                          ----小新

一.ARM采用32位架构                                                                    

        ARM约定一个Byte是8 bits，一个Halfword是16 bits (2 byte)，一个Word是32 bits (4 byte)。大部分ARM core 提供ARM 指令集（32 bit，每条指令都是4个字节），Thumb 指令集（16bit），Thumb2指令集（16 & 32bit）。

二.ARM的7种基本工作模式

ARM处理器存在七种基本工作模式，分别是：

1. 用户模式（usr）：这是正常的用户模式，也是ARM处理器正常的程序执行状态。
2. 快速中断模式（fiq）：这种模式用于处理快速中断，对高速数据传输或通道进行处理。
3. 外部中断模式（irq）：这种模式用于对一般情况下的中断进行处理。
4. 管理模式（svc）：这种模式属于操作系统使用的保护模式，主要用于处理软件中断swi reset。
5. 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，可用于处理存储器故障、实现虚拟存储器和存储器保护。
6. 系统模式（sys）：这种模式运行具有特权的操作系统任务。
7. 未定义指令中止模式（und）：这种模式用于处理未定义的指令陷阱，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。

三.ARM的37个通用寄存器

       （1）通用寄存器

         ARM微处理器共有37个32位寄存器，其中30个为通用寄存器，1个固定用作PC，6个位状态寄存器（1个固定用作CPSR，5个固固定用作5种模式下的SPSR）。这些寄存器在ARM体系结构中有着不同的用途和功能，可以用于保存程序状态、处理数据、控制指令执行等。

     （2）特殊功能寄存器

         特殊功能寄存器，属于外设硬件的组成部分。使用软件编程控制某一硬件，其实就是编程读写这个硬件的特殊功能寄存器。

（1）影子式设计

        上图中除了Abort模式列出所有的寄存器外，其他模式只列出对应位置该模式下特有的寄存器，没有列出的寄存器，则说明和Abort模式共用。比如User模式下有自己的r13和r14寄存器，其他寄存器和Abort模式相同。这样算下来，ARM总共有 37 个寄存器，但最多只能同时存在18个寄存器。有些寄存器虽然名字相同，但是在当前模式是不可见的。比如在ARM中有6个名叫r13的寄存器，但在特定处理器模式下，只有一个r13是当前可见的，其他的r13必须切换到对应的模式才能看到。这种设计叫影子寄存器。

        这样设计的好处是，当各种异常发生的时候，每种异常模式都可以保存一些重要的数据，异常处理程序完成之后返回异常前的程序时，不会破坏原有的寄存器或状态。

（2）重要的寄存器 

         这37个寄存器都是32位长度，值得重点理解的寄存器有以下几个。

        1.程序控制寄存器（PC，Program Control Register）

        这个寄存器存放着将要执行的指令的地址，它指向哪里，CPU就会执行哪条指令，所以程序跳转时把目标代码的地址放到PC寄存器中。注意，整个CPU只有一个PC寄存器。

        2.程序状态寄存器（CPSR，Current Program Status Register）

        这个寄存器用来记录CPU的当前状态。注意，整个CPU只有一个CPSR寄存器。

        3.程序状态保存寄存器（SPSR，Saved Program Status Register）

        用来保存CPSR的，子程序返回时将SPSR赋给CPSR。注意，整个CPU有5个SPSR寄存器。

        4.链接寄存器（LR，Link Register）

  这个寄存器的主要作用如下：

        一是调用子程序时，用来保存子程序返回地址（子程序返回时返回到哪个地址）。当通过bl或blx指令调用子程序时，硬件会自动将子程序返回地址保存在LR寄存器中。在子程序返回时，把LR的值复制到PC即可实现子程序返回。比如可以使用mov pc,lr完成子程序返回。

        二是当异常发生时，LR中保存的值等于异常发生时PC的值减4，因此在各种异常模式下可以根据LR的值返回到异常发生前的相应位置继续执行。

 四.程序状态寄存器（CPSR）

        程序状态寄存器（CPSR）是ARM处理器中的重要寄存器之一，用于存储程序状态信息。CPSR包含了条件码标志、中断禁止位、当前处理器模式标志以及其他的一些控制和状态位。在任何处理器模式下，CPSR都可以被访问。它是一个32位的寄存器，用于存储当前程序的状态信息。当特定的异常中断发生时，这个寄存器用于存放当前程序状态寄存器的内容。在异常中断退出时，可以用SPSR来恢复CPSR。由于用户模式和系统模式不是异常中断模式，所以它们没有SPSR。

        CPSR中各个bit位表明了CPU的某些状态信息，这些信息非常重要，和汇编指令息息相关（比如BLE指令中的E就和CPSR中的Z标志位有关）。CPSR中的I、F位和开中断、关中断有关。CPSR中的mode位（bit4～bit0共5位）决定了CPU的工作模式，在uboot代码中会使用汇编进行设置。