ARM的7種運作模式和37個寄存器

ARM的7種工作模式

包括使用者模式和特權模式二大類，其中特權模式又分為系統模式和異常模式。CPU每次隻能運作在一種工作模式下，各種模式之間的切換可以是程式員通過代碼主動切換（通過程式狀态寄存器CPSR）也可以是CPU自己在某種情況下自動切換。在每種模式下最多隻能看到18個寄存器，其他的寄存器雖然名字相同但是在目前模式下都不可見。由于作業系統有安全級别的需要，是以CPU設計多種模式是為了滿足作業系統的多種角色安全等級的需要。

使用者模式（USR): 非特權模式，ARM處理器正常執行狀态都在這種模式。

系統模式(SYS)：運作具有特權作業系統任務。

快速中斷模式（FIQ）:Fast Interrupt Request,用于高速資料傳輸或通道處理。

外部中斷模式（IRQ）：當普通中斷發生時會進入。

管理模式（SVC）：作業系統使用的保護模式。

資料通路中止模式（ABT）: 當資料或指令預取終止時進入，可用于虛拟存儲和存儲管理。

未定義指令終止模式（UND）: 當CPU執行未定義指令時會進入。

注意：FIQ在中斷向量表中的相對位址一般為0x1C，即在該位址後沒有任何中斷向量表了，是以FIQ的中斷處理程式可以完全放在這裡；而IRQ的在中斷向量表中的相對位址為0x18，即在FIQ的前面，是以隻有四個位元組，隻能放一條跳轉指令，當該中斷發生時還要從此處跳到真正的IRQ處理程式的地方執行，這也是導緻IRQ比FIQ慢的原因之一。
           

32位的RAM共有37個寄存器

31個是通用型的，包括未分組寄存器（ R0 - R7），分組寄存器（R8 - R14)和PC指針。

**不分組寄存器：**在所有的運作模式下都使用同一個實體寄存器，它們未被系統用作特殊的用途。

分組寄存器:

1. 對于R8—R12當使用FIQ(快速中斷模式)時通路寄存器R8_fiq — R12_fiq，當使用除FIQ模式以外的其他模式時,通路寄存器

   R8 -R12

2. 對于R13,R14來說,每個寄存器對應6個不同的實體寄存器，其中一個是使用者模式與系統模式共用（圖中的R13，R14），另外5個實體寄存器對應其他5種不同的運作模式，并采用以下記号來區分不同的實體寄存器分别為fiq,irq,svc,abt,und.

   2.1) R13在ARM指令中常用作棧指針SP

   特别注意：由于每一種模式都有自己的R13，是以我們在自己初始化的時候一般都要初始化每種模式下的R13，使其指向該運作模式的棧空間。

   2.2) R14稱為子程式連結寄存器LR(Link Register)

   有兩個特殊功能，一種是每一種模式下都可以用于儲存函數的傳回位址，另外就是異常處理後的傳回位址，如中斷。

3. PC指針（R15）

   R15用作程式計數器(PC)對應一個實體寄存器，由于ARM體系結構采用了多級流水線技術，對于ARM指令集而言，PC總是指向目前指令的下兩條指令的位址,即PC的值為目前指令的位址值加8個位元組程式狀态寄存器。

6個是狀态寄存器 1個CPSR和5個SPSR

CPSR為程式狀态寄存器，從官方文檔種可以提取到如下圖，它的各個位都表明了CPU的某些狀态資訊。

下面介紹其中幾個比較重要的位

N: 當兩個表示的有符号整數運算時，1表示運算結果為負數，0表示結果為正或零。

Z：1表示運算的結果為零，0表示運算的結果不為零。對于CMP指令，1表示進行比較的兩個數大小相等。

C：下面分四種情況讨論C的設定方法：

a) 加法運算（包括比較指令CMN）：當運算産生了進位時（無符号數溢出），C=1，否則C=0。

b) 減法運算（包括比較指令CMP）：當運算時産生了借位（無符号數溢出），C=0，否則C=1。

c) 對于包含移位操作的非加/減運算指令，C為移出值的最後一位。

d) 對于其他的非加/減運算指令，C的值通常不改變。

V:下面分兩種情況讨論V的設定方法

a) 對于加/減法運算指令，當操作數和運算結果為二進制的補碼表示的帶符号數時，V=1表示符号位溢出。

b) 對于其他的非加/減運算指令，C的值通常不改變。

I：1 表示禁止外部（硬體）中斷（IRQ）

F：1 表示禁止快速中斷（FIQ）

T：1表示為Thumb狀态,0為ARM狀态（Thumb态和ARM态是ARM的二種運作狀态）

M[4:0]：用來設定處理器的工作模式具體資料見本文開始的介紹。

SPSR是 除USR和SYS模式外，對應用于異常保護的CPSR的備份，異常時，儲存CPSR值，異常退出時，将該值恢複到CPSR，以保證程式的正常運作。