1.ARM的7種工作模式

ARMv4和ARMv5的指令集規(guī)定了ARM的7種工作模式，由寄存器CPSR[4：0]決定(見(jiàn)下表)，分別是

用戶(User)模式：ARM處理器正常的程序執(zhí)行狀態(tài)

系統(tǒng)(System)模式：運(yùn)行具有特權(quán)的操作系統(tǒng)任務(wù)

快速中斷(FIQ)模式：用于處理緊急的中斷，如高速數(shù)據(jù)傳輸或通道處理

普通中斷(IRQ)模式：用于處理通用的中斷，通常在硬件中斷信號(hào)后進(jìn)入該模式

管理(Supervisor)模式：操作系統(tǒng)使用的保護(hù)模式，是CPU上電后的默認(rèn)模式，主要用于系統(tǒng)的初始化

數(shù)據(jù)訪問(wèn)終止(Abort)模式：用于虛擬存儲(chǔ)及存儲(chǔ)保護(hù)，當(dāng)訪問(wèn)非法地址或讀取無(wú)權(quán)限內(nèi)存地址時(shí)進(jìn)入該模式

未定義指令中止(Undifined)模式：當(dāng)執(zhí)行未定義的指令時(shí)進(jìn)入該模式，用于支持硬件協(xié)處理器的軟件仿真

CPSR[4:0]定義的ARM工作模式CPSR[4:0]處理器模式可訪問(wèn)的寄存器0b10000USERR0~R14；PC；CPSR0b11111SYSTEMR0~R14；PC；CPSR0b10001FIQR0~R7；R8_FIQ-R14_fiq；PC；CPSR；SPSR_fiq0b10010IRQR0~R12；R13_irq-R14_irq；PC；CPSR；SPSR_irq0b10011SUPERVISORR0~R12；R13_svc-R14_svc；PC；CPSR；SPSR_svc0b10111ABORTR0~R12；R13_abt-R14_abt；PC；CPSR；SPSR_abt0b11011UNDEFINEDR0~R12；R13_und-R14_und；PC；CPSR；SPSR_und

現(xiàn)在ARMv6和ARMv7指令集做出了改變，由MSP（主堆棧指針）和PSP（進(jìn)程堆棧指針），用戶模式和特權(quán)模式組合成4種工作模式，將其他模式整合到異常向量表中，干凈簡(jiǎn)潔舒服啦。

2.ARM寄存器
ARM共有37個(gè)32位物理寄存器，7種工作模式下可訪問(wèn)的寄存器見(jiàn)下表，User和System使用完全相同的物理寄存器。

2.1 R0~R7
所有工作模式下，R0-R7都分別指向同一個(gè)物理寄存器（共8個(gè)物理寄存器），它們未被系統(tǒng)用作特殊的用途。在中斷或異常處理進(jìn)行工作模式轉(zhuǎn)換時(shí)，由于不同工作模式均使用相同的物理寄存器，可能造成寄存器中數(shù)據(jù)的破壞。
2.2 R8~R12

在User&System、IRQ、Svc、Abt和Und模式下訪問(wèn)的R8~R12都是同一個(gè)物理寄存器（共5個(gè)物理寄存器）；在FIQ模式下，訪問(wèn)的R8_fiq~R12_fiq是另外獨(dú)立的物理寄存器（共5個(gè)物理寄存器）。

2.3 R13和R14

在User&System、IRQ、FIQ、Svc、Abt和Und訪問(wèn)的R13_~R14都是各自模式下獨(dú)立的物理寄存器（共12個(gè)物理寄存器）。

R13在ARM指令中常用作堆棧指針（SP），但這只是一種習(xí)慣用法，用戶也可使用其他的寄存器作為堆棧指針。而在Thumb指令集中，某些指令強(qiáng)制性的要求使用R13作為堆棧指針。

由于處理器的每種工作模式均有自己獨(dú)立的物理寄存器R13，在用戶應(yīng)用程序的初始化部分，一般都要初始化每種模式下的R13，使其指向該工作模式的?？臻g。這樣，當(dāng)程序進(jìn)入異常模式時(shí)，可以將需要保護(hù)的寄存器放入R13所指向的堆棧，而當(dāng)程序從異常模式返回時(shí)，則從對(duì)應(yīng)的堆棧中恢復(fù)，采用這種方式可以保證異常發(fā)生后程序的正常執(zhí)行。
R14稱為鏈接寄存器(Link Register)，當(dāng)執(zhí)行子程序調(diào)用指令(BL)時(shí)，R14可得到R15(程序計(jì)數(shù)器PC)的備份。在每一種工作模式下，都可用R14保存子程序的返回地址，當(dāng)用BL或BLX指令調(diào)用子程序時(shí)，將PC的當(dāng)前值復(fù)制給R14，執(zhí)行完子程序后，又將R14的值復(fù)制回PC，即可完成子程序的調(diào)用返回。以上的描述可用指令完成。

執(zhí)行以下任意一條指令：
MOV PC, LR
BX LR
在子程序入口處使用以下指令將R14存入堆棧：
STMFD SP！,{,LR}
對(duì)應(yīng)的，使用以下指令可以完成子程序返回：
LDMFD SP！,{,PC}
R14也可作為通用寄存器。
2.4 程序計(jì)數(shù)器PC(R15)
所有工作模式下訪問(wèn)的R15都是同一個(gè)物理寄存器，由于ARM體系結(jié)構(gòu)采用了多級(jí)流水線技術(shù)，對(duì)于ARM指令集而言，PC總是指向當(dāng)前指令的下兩條指令的地址，即PC的值為當(dāng)前指令的地址值加8個(gè)字節(jié)。

在ARM狀態(tài)下，R15[1:0]為0，R15[31:2]用于保存PC；在Thumb狀態(tài)下，R15[0]為0，R15[31:1]用于保存PC。

2.5 CPSR和SPSR

R16用作CPSR(CurrentProgram Status Register，當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器)，CPSR可在任何工作模式下被訪問(wèn)，它包括條件標(biāo)志位、中斷禁止位、當(dāng)前處理器模式標(biāo)志位，以及其他一些相關(guān)的控制和狀態(tài)位。

每一種工作模式下又都有一個(gè)專用的物理狀態(tài)寄存器，稱為SPSR(Specified Program Status Register，備份的程序狀態(tài)寄存器)，當(dāng)異常發(fā)生時(shí)，SPSR用于保存CPSR的當(dāng)前值，從異常退出時(shí)則可由SPSR來(lái)恢復(fù)CPSR。
User模式和System模式不屬于異常模式，它們沒(méi)有SPSR，當(dāng)在這兩種模式下訪問(wèn)SPSR，結(jié)果是未知的。

2.6 CPSR各標(biāo)志位含義

31302928272676543210NZCVQDNM(RAZ)IFTM4M3M2M1M0

N（Negative）---設(shè)置成當(dāng)前指令運(yùn)算結(jié)果的bit[31]的值。當(dāng)兩個(gè)有符號(hào)整數(shù)運(yùn)算時(shí)，N=1運(yùn)算結(jié)果為負(fù)數(shù)，N=0運(yùn)算結(jié)果為正。

Z（Zero）---Z=1運(yùn)算結(jié)果為零；Z=0表示運(yùn)算的結(jié)果不為零。對(duì)于CMP指令，Z=1表示進(jìn)行比較的兩個(gè)數(shù)大小相等。

C（Carried out）---分四種情況討論
1）在加法指令中（包括比較指令CMP），當(dāng)結(jié)果產(chǎn)生進(jìn)位，則C=1，表示無(wú)符號(hào)運(yùn)算發(fā)生上溢出；其他情況C=0。
2）在減法指令中（包括減法指令CMP），當(dāng)運(yùn)算發(fā)生借位，則C=0，表示無(wú)符號(hào)運(yùn)算發(fā)生下溢出；其他情況下C=1。
3）對(duì)于包含移位操作的非加減運(yùn)算指令，C中包含最后一次溢出的位的數(shù)值
4）對(duì)于其他非加減運(yùn)算指令，C位的值通常不受影響
V（oVerflow）---對(duì)于加減運(yùn)算指令，當(dāng)操作數(shù)和運(yùn)算結(jié)果為二進(jìn)制的補(bǔ)碼表示的帶符號(hào)數(shù)時(shí)，V=1符號(hào)為溢出；通常其他指令不影響V位。

Q---在ARM V5的E系列處理器中，CPSR的bit[27]稱為Q標(biāo)識(shí)位，主要用于指示增強(qiáng)的DSP指令是否發(fā)生了溢出。同樣的spsr的bit[27]位也稱為Q標(biāo)識(shí)位，用于在異常中斷發(fā)生時(shí)保存和恢復(fù)CPSR中的Q標(biāo)識(shí)位。在ARM V5以前的版本及ARM V5的非E系列的處理器中，Q標(biāo)識(shí)位沒(méi)有被定義。

I和F---當(dāng)I=1時(shí)禁止IRQ中斷，當(dāng)F=1時(shí)禁止FIQ中斷

T---對(duì)于ARM V4以更高版本的T系列ARM處理器，T=0表示執(zhí)行ARM指令；T=1表示執(zhí)行Thumb指令
對(duì)于ARM V5以及更高版本的非T系列處理器，T=0表示執(zhí)行ARM指令；T=1表示強(qiáng)制下一條執(zhí)行的指令產(chǎn)生未定指令中斷

M[4:0]---定義了的ARM工作模式，具體見(jiàn)1中表CSPR[4：0]定義的ARM工作模式

3 控制程序的執(zhí)行流程的3種方式

1）在正常執(zhí)行過(guò)程中，每執(zhí)行一條ARM指令，程序計(jì)數(shù)器(PC)的值加4個(gè)字節(jié)；每執(zhí)行一條Thumb指令，程序計(jì)數(shù)器寄存器(PC)加2個(gè)字節(jié)。整個(gè)過(guò)程是按順序執(zhí)行。

2）跳轉(zhuǎn)指令，程序可以跳轉(zhuǎn)到特定的地址處執(zhí)行，或者跳轉(zhuǎn)到特定的子程序處執(zhí)行。其中,B指令用于執(zhí)行跳轉(zhuǎn)操作；BL指令在執(zhí)行跳轉(zhuǎn)操作同時(shí)，保存子程序的返回地址；BX指令在執(zhí)行跳轉(zhuǎn)操作同時(shí)，根據(jù)目標(biāo)地址為可以將程序切換到Thumb狀態(tài)；BLX指令執(zhí)行3個(gè)操作，跳轉(zhuǎn)到目標(biāo)地址處執(zhí)行，保存子程序的返回地址，根據(jù)目標(biāo)地址為可以將程序切換到Thumb狀態(tài)。

3）當(dāng)異常中斷發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行完當(dāng)前指令后，將跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的異常中斷處理程序處執(zhí)行。當(dāng)異常中斷處理程序執(zhí)行完成后，程序返回到發(fā)生中斷指令的下條指令處執(zhí)行。在進(jìn)入異常中斷處理程序時(shí)，要保存被中斷程序的執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)，從異常中斷處理程序退出時(shí)，要恢復(fù)被中斷程序的執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)。