ARM編程模型

原文：http://www.eefocus.com/article/08-08/49601s.html

ARM尋址方式與指令系統
ARM編程模型
ARM指令格式和尋址方式
ARM指令集
Thumb指令集

機器指令、僞指令和宏指令
機器指令：能被處理器直接執行，而僞指令宏和宏指令不能。機器指令包括ARM指令集和Thumb指令集；
僞指令：在源程序彙編期間，由彙編編譯器處理。其作用是爲彙編程序完成準備工作；
宏指令：在程序中用於調用宏，宏是一段獨立的程序代碼；在程序彙編時，對宏調用進行展開，用宏體代替宏指令。

ARM處理器模式
ARM微處理器支持7種工作模式：用戶模式、系統模式、快速中斷模式、外部中斷模式、管理模式、中止模式、未定義指令模式。
除用戶模式之外的其餘6種稱爲非用戶模式，或特權模式。
在特權模式中，除系統模式之外的其餘5種稱爲異常模式。
處理器的各種工作模式由當前程序狀態寄存器CPSR的低5位M[4:0]決定。
工作模式切換：
（1）發生異常，處理器自動改變CPSR中M[4:0]的值，進入相應的工作模式；
（2）處理器處於特權模式時，用指令向CPSR的M[4:0]字段寫入特定的值，進入相應的工作模式。
用戶模式時，不能改變工作模式，除非發生異常。

ARM處理器7種工作模式

特權模式

異常模式

用戶和系統模式

處理器的工作狀態
從編程的角度講，ARM處理器工作在兩種狀態：ARM狀態或Thumb狀態。
（1）ARM狀態：處理器執行32位的ARM指令集時，工作在這種狀態。
（2）Thumb狀態：處理器執行16位的thumb指令集時，工作在這種狀態。
狀態切換：通過跳轉指令實現。

ARM的寄存器組織
37個寄存器：31個通用寄存器，包括程序計數器PC；
6個狀態寄存器。
寄存器均爲32位，分成7組，各工作模式擁有自己的寄存器組，只能訪問自己的寄存器組。
有些寄存器是重疊的，有些是工作模式特有的。
在不同的工作模式和處理器狀態下，程序員可以訪問的寄存器不盡相同。

ARM狀態各模式下的寄存器

ARM寄存器分類

ARM狀態各模式下可以訪問的寄存器

一般的通用寄存器

R0～R7通用寄存器

R8～R14通用寄存器

R8～R12的兩個分組

R13、R14的6個分組

堆棧指針寄存器R13（SP）

鏈接寄存器R14（LR）

R14（LR）的作用
作用：保存返回地址
例如：
1.程序A執行過程中調用程序B；
2.程序跳轉至標號Lable，執行程序B。同時硬件將“BL Lable”指令的下一條指令所在地址存入R14（LR）；
3.程序B執行最後，將R14寄存器的內容放入PC，返回程序A；

程序計數器R15（PC）

程序狀態寄存器CPSR

Thumb寄存器在ARM寄存器上的映射

狀態寄存器
CPSR：當前程序狀態寄存器，可以在任何工作模式下被訪問。
SPSR：程序狀態保存寄存器，只有在異常模式下，才能被訪問；各異常模式擁有自己的SPSR。發生異常時，SPSR保存CPSR的值，格式同CPSR。
狀態標誌：5個，N符號位，Z零標誌，C進位，V溢出位，Q DSP運算溢出位。
控制標誌：4個，I中斷允許，F快速中斷允許，T狀態選擇，M[4:0] 處理器工作模式

條件標誌位

控制位

異常中斷
異常中斷：處理器由於外部或內部的原因，停止執行當前任務，轉而處理特定的事件，處理完後返回原程序，繼續執行。
當異常發生時，處理器首先自動保存當前狀態，即返回地址存入寄存器R14，當前寄存器CPSR存入SPSR中，接着進入相應的工作模式，並執行特定地址的指令。
ARM共有7種類型的異常，不同類型的異常將導致處理器進入不同的工作模式，並執行不同特定地址的指令。

7種類型異常中斷
復位：復位異常時，處理器立即停止當前程序，進入禁止中斷的管理模式，並從地址0x00000000處開始執行。
未定義指令：當前指令未定義時，便產生未定義指令中斷。
軟件中斷：用戶模式下使用指令SWI時，處理器便產生軟件中斷，進入管理模式，以調用特權操作。
指令預取中止：預取指令的地址不存在，或不允許當前指令訪問時，存儲器會向處理器發出中止信號；預取指令被執行時纔會產生該類異常。
數據訪問中止：數據訪問指令的地址不存在，或不允許當前指令訪問時，產生數據中止異常。
外部中斷請求：外部中斷請求引腳有效，且CPSR中的I位爲0時，產生IRQ異常。
快速中斷請求：快速中斷請求引腳有效，且CPSR中的F位爲0時，產生FIQ異常。

異常向量

異常中斷的優先級

復位
當nRESET信號由低變爲高電平時，ARM處理器執行下列操作：
1.　強制CPSR中的M[4:0]變爲b10011（管理模式）；
2.　置位CPSR中的I和F位；
3.　清零CPSR中的T位；
4.　強制PC從地址0x00開始對下一條指令進行取指；
5.　返回到ARM狀態並恢復執行。

bootloader源代碼外部中斷處理實例
從0x00000000開始設置以下指令。
發生外部中斷請求，處理器自動保存當前狀態（PC→R14，CPSR→SPSR），進入外部中斷模式，執行地址0x00000018處的指令。