ARM体系结构

2024-04-05 09:57:00

工作模式_ufisaus

USR(User) ：正常程序的执行状态
FIQ(Fast interrupt) ：用于高速数据传输和通道处理
IRQ（Interrupt) ：通常的中断处理
SVC(Supervisor) ：供操作系统使用的一种保护模式,复位或执行SWI进入该模式
ABT(Abort) ：可用于虚拟存储以及存储保护，当数据或指令预取终止时进入该模式
UND(Undefined) ：可用于支持硬件协处理器的软件仿真，未定义的指令执行时进入该模式
SYS(System) ：运行具有特权的操作系统任务

Note:

除了USR和SYS外都是异常模式
除了USR外都是特权模式 , 特权模式可以通过直接修改CPSR中相应的位来切换到USR，但是USR不能直接修改CPSR，只能通过指令，
OS的内核态程序工作在SVC模式, 用户态程序工作在USR模式
ARM的CPU复位就处于SVC模式，执行完启动代码后就需要切换到USR模式

运行状态

ARM状态：执行ARM指令时，32位指令，当处理器执行在ARM状态，所有的指令必须word对齐（所有指令的起始地址都是4的整数倍），所以PC的[1:0]是没有作用的，
Thumb状态：执行Thumb指令时，16位指令，当处理器执行在thumb状态，所有的指令必须halfword对齐，所有指令的起始地址都是2的整数倍，所以pc的[0]是没有定义的
Jazelleh状态，是byte对齐的

指令/数据本身是多少位的，存储的起始地址就是多少位的整数倍

通用寄存器

R13 :SP，Stack Pointer，当前模式的栈指针，永远指向栈顶，压栈就是将寄存器的值放入栈中同时移动sp，出栈就是将栈中的值放入寄存器同时移动sp，用于保护现场，例如进行多级跳转时，只有一个LR寄存器肯定是不够用的，这时就可以将函数返回的地址进行压栈，函数执行完毕再将地址出栈到PC
R14 :LR，Link Register，保存函数调用返回的位置，存储pc下一条指令的地址，调用函数返回之间将pc的值赋值给lr(mov pc, lr)，就可以返回原程序
R15 :PC，Program Counter，当前"执行"指令的地址+8byte，不论是多少级流水，PC永远指向当前执行指令的下两条位置，更多级的流水都是在"执行"之后的级数

状态寄存器_NZCV-iftm

CPSR(Current Program Status Register):程序状态寄存器

SPSR(Saved Process Satus Register)：cpsr的备份寄存器

[31]:N， =1表示结果为Negative

[30]:Z， =1表示结果为Zero

[29]:C， =1表示计算有Carry（进位），如果ALU有加法运算，且产生了进位，则C位自动置1，如果ALU有减法运算，且产生了借位，则C位自动置0

[28]:V， =1表示计算有oVerflow(溢出)

[27:8]:保留

[7]:I， IRQ的屏蔽位，=1表示禁止IRQ

[6]:F， FIQ的屏蔽位，=1表示禁止FRQ ,芯片的一上电默认就是将if两个位置1，因为初始化代码执行期间系统还没准备好，响应中断没有意义，一般在启动代码执行的最后手动将这两位清0，进入系统

[5]:T，标识当前CPU的工作状态， =1表示执行Thumb指令 ,该位不能直接被修改，必须用过bic修改

[4:0]:M， CPU工作模式位, 任何模式都可以读，只有特权模式可以写

异常_firdpsur

FRQ:当硬件产生FRQ信号触发该异常 -> FRQ

IRQ :当硬件产生IRQ信号触发该异常 -> IRQ

PretchAbort:当取指令出错 -> ABT

Data Abort:当取数据出错 -> ABT

SWI :软中断异常，执行汇编指令 “swi” -> SVC

Undefine:CPU解码到不认识的机器指令， -> UND

Reset:复位异常，按下复位键触发该异常， -> SVC

异常向量表

早期的ARM会在0地址处放置一张表，表的每一项都对应的了发生该类异常时的处理函数的地址，现在的ARM核可以在初始化代码中指定异常向量表的位置，不过默认还是0地址处。在ARM体系中，异常终端向量表的大小为32byte.每个异常中断占4byte，这4byte存储一条跳转指令或者一个向PC寄存器中赋值的数据访问指令，通过这两种指令，程序跳转到相应的异常中断处理程序。

ARM 的异常也是有优先级的，Reset > DataAbort > FIQ > IRQ > PrefetchAbort > SWI > Undef。在执行高优先级的异常处理程序时，不允许被低优先级的异常中断，但是反过来可以。

FIQ比IRQ快的3个原因：

FIQ的优先级比IRQ高，同时发生时会优先执行FRQ
FIQ对应的FIQ模式有更多的私有寄存器，这意味着如果FIQ如果用到R8～R12这些寄存器，不需要像IRQ一样先把原来的寄存器值进行压栈
FIQ在中断向量表的最高处，这就为我们直接在FIQ上面的地址直接写异常处理程序提供了可能，其他的异常必须通过跳转，而跳转就需要保存IR值

当异常产生时，硬件自动做的4件事：

复制CPSR寄存器的内容到SPSR_<mode> //eg，产生了reset异常，复制内容到SPSR_<svc>
修改CPSR寄存器
1. 切换为ARM状态（CPSR的T位置0)
2. 切换到异常模式（CPSR的M位[4:0]置相应的值）
3. 禁止必要的中断（CPSR的IF位置1）
存储返回地址到LR_<mode>寄存器
设置PC为相应的异常入口地址

当异常处理结束，返回时软件要做的2件事：

从SPSR_<mode>恢复CPSR
拷贝LR_<mode>的内容到PC

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