ARM的7种运行模式和37个寄存器

姓名 李林涛 学号 16020199032

转自：https://blog.csdn.net/weixin_42325069/article/details/84071975

【嵌牛导读】：作者简单介绍了ARM的7种运行模式和重要寄存器的功能和基本信息。

【嵌牛鼻子】：ARM、运行模式、寄存器

【嵌牛提问】：ARM的不同运行模式对ARM产生了怎样的影响？

【嵌牛正文】：

ARM的7种工作模式

包括用户模式和特权模式二大类，其中特权模式又分为系统模式和异常模式。CPU每次只能运行在一种工作模式下，各种模式之间的切换可以是程序员通过代码主动切换（通过程序状态寄存器CPSR）也可以是CPU自己在某种情况下自动切换。在每种模式下最多只能看到18个寄存器，其他的寄存器虽然名字相同但是在当前模式下都不可见。由于操作系统有安全级别的需要，因此CPU设计多种模式是为了满足操作系统的多种角色安全等级的需要。

用户模式（USR): 非特权模式，ARM处理器正常执行状态都在这种模式。

系统模式(SYS)：运行具有特权操作系统任务。

快速中断模式（FIQ）:Fast Interrupt Request,用于高速数据传输或通道处理。

外部中断模式（IRQ）：当普通中断发生时会进入。

管理模式（SVC）：操作系统使用的保护模式。

数据访问中止模式（ABT）: 当数据或指令预取终止时进入，可用于虚拟存储和存储管理。

未定义指令终止模式（UND）: 当CPU执行未定义指令时会进入。

32位的RAM共有37个寄存器

31个是通用型的，包括未分组寄存器（ R0 - R7），分组寄存器（R8 - R14)和PC指针。

**不分组寄存器：**在所有的运行模式下都使用同一个物理寄存器，它们未被系统用作特殊的用途。

分组寄存器:

    对于R8—R12当使用FIQ(快速中断模式)时访问寄存器R8_fiq — R12_fiq，当使用除FIQ模式以外的其他模式时,访问寄存器

    R8 -R12

    对于R13,R14来说,每个寄存器对应6个不同的物理寄存器，其中一个是用户模式与系统模式共用（图中的R13，R14），另外5个物理寄存器对应其他5种不同的运行模式，并采用以下记号来区分不同的物理寄存器分别为fiq,irq,svc,abt,und.

    2.1) R13在ARM指令中常用作栈指针SP

    特别注意：由于每一种模式都有自己的R13，所以我们在自己初始化的时候一般都要初始化每种模式下的R13，使其指向该运行模式的栈空间。

    2.2) R14称为子程序链接寄存器LR(Link Register)

    有两个特殊功能，一种是每一种模式下都可以用于保存函数的返回地址，另外就是异常处理后的返回地址，如中断。

    PC指针（R15）

    R15用作程序计数器(PC)对应一个物理寄存器，由于ARM体系结构采用了多级流水线技术，对于ARM指令集而言，PC总是指向当前指令的下两条指令的地址,即PC的值为当前指令的地址值加8个字节程序状态寄存器。

6个是状态寄存器 1个CPSR和5个SPSR

CPSR为程序状态寄存器，从官方文档种可以提取到如下图，它的各个位都表明了CPU的某些状态信息。

下面介绍其中几个比较重要的位

N: 当两个表示的有符号整数运算时，1表示运算结果为负数，0表示结果为正或零。

Z：1表示运算的结果为零，0表示运算的结果不为零。对于CMP指令，1表示进行比较的两个数大小相等。

C：下面分四种情况讨论C的设置方法：

a) 加法运算（包括比较指令CMN）：当运算产生了进位时（无符号数溢出），C=1，否则C=0。

b) 减法运算（包括比较指令CMP）：当运算时产生了借位（无符号数溢出），C=0，否则C=1。

c) 对于包含移位操作的非加/减运算指令，C为移出值的最后一位。

d) 对于其他的非加/减运算指令，C的值通常不改变。

V:下面分两种情况讨论V的设置方法

a) 对于加/减法运算指令，当操作数和运算结果为二进制的补码表示的带符号数时，V=1表示符号位溢出。

b) 对于其他的非加/减运算指令，C的值通常不改变。

I：1 表示禁止外部（硬件）中断（IRQ）

F：1 表示禁止快速中断（FIQ）

T：1表示为Thumb状态,0为ARM状态（Thumb态和ARM态是ARM的二种运行状态）

M[4:0]：用来设置处理器的工作模式具体数据见本文开始的介绍。

SPSR是 除USR和SYS模式外，对应用于异常保护的CPSR的备份，异常时，保存CPSR值，异常退出时，将该值恢复到CPSR，以保证程序的正常运行。