嵌入式 | ARM工作模式详解

ARM v4版本的处理器有以下两个工作状态：

1. ARM状态：32位，执行字对准的ARM指令。（性能好，代码密度小
2. Thumb状态：16位，执行半字对准的Thumb指令。（性能差，代码密度大）

 

进入Thumb状态的方法是：

1. 执行BX指令，并设置操作数寄存器的状态（位[0]）为1。
2. 在Thumb状态进入异常（所有的异常都是ARM状态），当异常处理返回时自动转换Thumb指令。

进入ARM状态的方法是：

1. 执行BX指令，并设置操作数寄存器的状态（位[0]）为0。
2. 进入异常时，将PC放入异常模式链接寄存器中，从异常向量地址开始执行也可进入ARM状态。

 
ARM处理器的7种工作模式：

处理器模式	说明
用户模式（User）	正常程序执行模式
异常模式（FIQ）	快速中断处理，用于支持高速数据传送或通道处理
异常模式（IRQ）	一般中断处理
异常模式（Supervisor）	特权模式，用于系统初始化或操作系统的功能
异常模式（Abort）	存储器保护异常处理
异常模式（Undefined）	未定义指令异常处理
系统模式（System）	运行操作系统任务（ARM v4以上版本）

注意：除了User模式外，其他模式都称为特权模式，可以存取系统中的任何资源。User模式下程序不能访问有些受保护内容，也不能直接改变CPU的模式，只能通过异常的形式来处理改变CPU的当前运行状态。Abort和Undefined模式都是错误引起的。

 

ARM处理器有37个寄存器

31个通用寄存器：程序计数器、堆栈及其他通用寄存器

6个状态寄存器:（不能同时看到）

 
ARM工作状态寄存器：

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Thumb工作状态寄存器：

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ARM状态与Thumb状态寄存器关系，如下图：

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处理器模式与寄存器的关系：

异常发生时伴随的模式切换意味着, 被调用的异常处理程序会访问(影子寄存器)：

1. 它自己的堆栈指针 (SP_<mode>)

   1. 它自己的链接寄存器 (LR_<mode>)
2. 它自己的备份程序状态寄存器 (SPSR_<mode>)
3. 如果是FIQ异常处理, 5个其它的通用状态寄存器 (r8_FIQ to r12_FIQ)
4. 其它寄存器和原来模式下的寄存器是相同的

 

通用寄存器是R0-R15的寄存器，分为三类

1. 没有对应影子寄存器的寄存器R0-R7 (不同模式公用的)
2. 有对应影子寄存器的寄存器R8-R14
3. 程序计数器R15 (或者PC)

注意：影子寄存器是指该寄存器在不同的模式下对应的物理寄存器

 

通用寄存器特别说明：

R8-R12各有两组物理寄存器：一组为FIQ模式，另一组是除FIQ以外的其他模式。

R13-R14各有6个分组的物理寄存器，一个用于用户模式和系统模式，其他5个分别用于5种异常模式。

R13（SP指针）被用作栈指针，通常在系统初始化时需要对所有模式下的SP指针赋值，当CPU在不同的模式时栈指针会被自动切换成相应模式下的值。

R14（LR指针）有两个用途，一是在调用子程序时用于保存调用返回地址，二是在发生异常时用于保存异常返回地址。

特别注意：PC指向的是正被取指的指令，而不是正在执行的指令。（流水线影响）

 

CPSR（当前程序状态寄存器）：

1. 条件标志
2. 中断使能标志
3. 当前处理器的模式
4. 其它的一些状态和控制标志

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寄存器编号	可选名字	ATPCS寄存器用法
R0~R3	A1~A4	参数寄存器，在调用函数时，用来存放前4个函数参数和返回值，多出的存堆栈中。（易失的）
R4~R8	V1~V5	通用变量寄存器。（非易失性的）
R9	V6 sb	通用变量寄存器。在与读/写位置无关的编译情况下，用作基址寄存器。（非易失性的）
R10	V7 sl	通用变量寄存器。在使用堆栈边界检查的编译情况下，R10保存堆栈边界的地址。（非易失性的）
R11	V8 fp	通用变量寄存器。在使用结构指针的情况下，必须保存这个寄存器中调用函数的变量值。（非易失性的）
R12	Ip	通用临时过渡寄存器（易失的）
R13	sp	堆栈指针，指向满递减堆栈
R14	lr	链接寄存器，在函数调用时用以保存返回地址
R15	pc	程序计数器

注意：带四个或更少的参数的函数，要比多于四个参数的效率到很多，多于四个，参数要存放在堆栈中，调用函数，须通过堆栈。

 

拓展：esp：x86的堆栈，ebp：x86的基地址。