Linux学习（2）Cortex-A7架构详细介绍

Cortex-A7框架

运行模式

Cortex-A 处理器九种运行模式
以前的 ARM 处理器有 7 种运行模型：User、FIQ、IRQ、Supervisor(SVC)、Abort、Undef和 System，其中 User 是非特权模式（某些访问受限，比如你的开机密码），其余 6 种都是特权模式（访问不受限）。但新的 Cortex-A 架构加入了TrustZone 安全扩展，所以就新加了一种运行模式：Monitor，新的处理器架构还支持虚拟化扩展，因此又加入了另一个运行模式：Hyp，所以 Cortex-A7 处理器有 9 种

模式	描述
User(USR)	用户模式，非特权模式，大部分程序运行的时候就处于此模式
FIQ	快速中断模式，进入 FIQ 中断异常
IRQ	一般中断模式（FIQ、IRQ二者区别）
Supervisor(SVC)	超级管理员模式，特权模式，供操作系统使用
Monitor(MON)	监视模式？这个模式用于安全扩展模式
Abort(ABT)	数据访问终止模式，用于虚拟存储以及存储保护
Hyp(HYP)	超级监视模式？用于虚拟化扩展
Undef(UND)	未定义指令终止模式
System(SYS)	系统模式，用于运行特权级的操作系统任务

当中断或异常发生以后，处理器就会进入到相应的异常模式中，每一种模式都有一组寄存器提供异常处理程序使用，这样的目的是为了保证在进入异常模式以后，用户模式下的寄存器不会被破坏。

如果学过 STM32 和 UCOS、FreeRTOS 就会知道，STM32 只有两种运行模式，特权模式和非特权模式，但是 Cortex-A 就有 9 种运行模式。

Cortex-A 寄存器组（内核寄存器）

这个是内核寄存器组，和芯片的外设RAM寄存器是有区别的。
ARM 架构提供了16个 32位通用寄存器R0-R15前15个R0-R14可以用作通用的数据存储，R15是程序计数器 PC，用来保存将要执行的指令。ARM 还提供了一个当前程序状态寄存器 CPSR 和一个备份程序状态寄存器 SPSR，SPSR 寄存器就是 CPSR 寄存器的备份（标了虚线，表示有些模式下是没有的）。
R13寄存器就是堆栈指针SP寄存器

Cortex-A7 有 9 种运行模式，每一种运行模式都有一组与之对应的寄存器。每一种模式可见的寄存器包括 15 个通用寄存器(R0~R14)、一两个程序状态寄存器和一个程序计数器 PC。在这些寄存器中，有些是所有模式所共用的同一个物理寄存器，有一些是各模式自己所独立拥有的，各个模式所拥有的寄存器如表：

浅色字体的是与 user模式所共用的寄存器，蓝色背景是各个模式所独有的寄存器。可以看出，在所有的模式中，低寄存器组R0-R7是共用同一组物理寄存器，只有一些高寄存器组在不同的模式下有自己独有的寄存器。假如某个程序在 FIQ 模式下访问 R13 寄存器，那它实际访问的是寄存器 R13_fiq，如果程序处于 SVC 模式下访问 R13 寄存器，那它实际访问的是寄存器 R13_svc。总结一下，Cortex-A 内核寄存器组成如下：

通用寄存器

R0~R15 就是通用寄存器，通用寄存器可以分为以下三类：
①、未备份寄存器，即 R0~R7。
②、备份寄存器，即 R8~R14。
③、程序计数器 PC，即 R15

未备份寄存器

未备份寄存器指的是 R0~R7 这 8 个寄存器，因为在所有的处理器模式下这 8 个寄存器都是同一个物理寄存器，在不同的模式下，这 8 个寄存器中的数据就会被破坏。所以这 8个寄存器并没有被用作特殊用途

备份寄存器(R8~R12)

备份寄存器R8~R12这5个寄存器只有2个物理地址，在快速中断模式下（FIQ）对应的是Rx_irq(x=8-12)物理寄存器，其他模式对应的是Rx_(x=8-12)
FIQ 模式下中断处理程序可以使用 R8~R12寄存器，因为 FIQ 模式下的 R8~R12 是独立的，因此中断处理程序可以不用执行保存和恢复中断现场的指令，从而加速中断的执行过程。

R13 SP 堆栈指针

R13一共有8个物理寄存器,每种模式下一个，R13也叫SP指针，指向该模式专用的栈地址
当ARM进入异常模式的时候，程序就可以把一般通用寄存器压入堆栈，返回时再出栈，保证了各种模式下程序的状态的完整性。

R14 LR 连接寄存器

1. 存放当前子程序的返回地址
   如果使用 BL 或者 BLX来调用子函数的话，R14(LR)被设置成该子函数的返回地址，在子函数中，将 R14(LR)中的值赋给 R15(PC)即可完成子函数返回。
2. 当异常发生以后，该异常模式对应的R14寄存器被设置成该异常模式将要返回的地址，R14 也可以当作普通寄存器使用。

R15 PC 程序计数器

R15 保存着当前执行的指令地址加8个字节，这是因为 ARM的流水线机制导致的。ARM 处理器 3 级流水线：取值->译码->执行，这三级流水线循环执行，比如当前正在执行第一条指令，同时也对第二条指令进行译码，第三条指令也同时被取出存放在 R15(PC)中。
我们都是以当前正在执行的指令为产考点，那么PC中存放的就是第三条指令。

R15 (PC)值 = 当前执行的程序位置 + 8 个字节
0X2000 MOV R1, R0 ;执行
0X2004 MOV R2, R3 ;译码 
0X2008 MOV R4, R5 ;取值PC

程序状态寄存器 CPSR

所有的处理器模式都共用一个 CPSR 物理寄存器，因此 CPSR 可以在任何模式下被访问。CPSR 是当前程序状态寄存器，该寄存器包含了条件标志位、中断禁止位，当前处理器模式标志等一些状态位以及一些控制位。
所有的处理器模式都共用一个 CPSR 必然会导致冲突，为此，除了 User 和 Sys 这两个模式以外，其他 7 个模式每个都配备了一个专用的物理状态寄存器，叫做 SPSR(备份程序状态寄存器)，当特定的异常中断发生时，SPSR 寄存器用来保存当前程序状态寄存器(CPSR)的值，当异常退出以后可以用 SPSR 中保存的值来恢复 CPSR。