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编程问答

【ARM】Programmers Model

發(fā)布時(shí)間：2024/4/24 编程问答 31 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了【ARM】Programmers Model 小編覺得挺不錯(cuò)的,現(xiàn)在分享給大家,幫大家做個(gè)參考.

00. 目錄

文章目錄

- 00. 目錄
- 01. ARM數(shù)據(jù)類型
- 02. 浮點(diǎn)數(shù)據(jù)類型
- 03. 處理器模式
- 04. 寄存器
- 05. 程序狀態(tài)寄存器
- 06. 附錄

01. ARM數(shù)據(jù)類型

ARM 采用的是 32 位架構(gòu)，ARM 的基本數(shù)據(jù)類型有以下3種。

Byte：字節(jié)，8bit。
Halfword：半字，16bit（半字必須與 2 字節(jié)邊界對(duì)齊）。
Word：字，32bit（字必須與 4 字節(jié)邊界對(duì)齊）。

注意：

（1）ARM 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) v4 以上版本支持以上 3 種數(shù)據(jù)類型，v4 以前版本僅支持字節(jié)和字。
（2）當(dāng)將這些數(shù)據(jù)類型中的任意一種聲明成 unsigned 類型時(shí)，n 位數(shù)據(jù)值表示范圍為 0～2^n ?1的非負(fù)數(shù)，通常使用二進(jìn)制格式。
（3）當(dāng)將這些數(shù)據(jù)類型的任意一種聲明成 signed 類型時(shí)，n 位數(shù)據(jù)值表示范圍為?2^(n?1) ～2^(n?1) ?1的整數(shù)，使用二進(jìn)制的補(bǔ)碼格式。
（4）所有數(shù)據(jù)類型指令的操作數(shù)都是字類型的，如“ADD r1，r0，＃0x1”中的操作數(shù)“0x1”就是以字類型數(shù)據(jù)處理的。
（5）Load/Store 數(shù)據(jù)傳輸指令可以從存儲(chǔ)器存取傳輸數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以是字節(jié)、半字、字。加載時(shí)自動(dòng)進(jìn)行字節(jié)或半字的零擴(kuò)展或符號(hào)擴(kuò)展。對(duì)應(yīng)的指令分別為 LDR/BSTRB（字節(jié)操作）、LDRH/STRH（半字操作）、LDR/STR（字操作）。詳見后面的指令參考。
（6）ARM 指令編譯后是 4 字節(jié)（與字邊界對(duì)齊）。Thumb 指令編譯后是 2 字節(jié)（與半字邊界對(duì)齊）。

02. 浮點(diǎn)數(shù)據(jù)類型

浮點(diǎn)運(yùn)算使用在 ARM 硬件指令集中未定義的數(shù)據(jù)類型。盡管如此，但 ARM 公司在協(xié)處理器指令空間定義了一系列浮點(diǎn)指令。通常這些

指令全部可以通過未定義指令異常（此異常收集所有硬件協(xié)處理器不接受的協(xié)處理器指令）在軟件中實(shí)現(xiàn)，但是其中的一小部分也可以由

浮點(diǎn)運(yùn)算協(xié)處理器 FPA10 以硬件方式實(shí)現(xiàn)。另外，ARM 公司還提供了用 C 語言編寫的浮點(diǎn)庫作為 ARM 浮點(diǎn)指令集的替代方法（Thumb

代碼只能使用浮點(diǎn)指令集）。該庫支持 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)的單精度和雙精度格式。C 編譯器有一個(gè)關(guān)鍵字標(biāo)志來選擇這個(gè)歷程。它產(chǎn)生的代碼與

軟件仿真（通過避免中斷、譯碼和浮點(diǎn)指令仿真）相比既快又緊湊。

03. 處理器模式

除用戶模式外的其他 7 種處理器模式稱為特權(quán)模式（Privileged Modes）。在特權(quán)模式下，程序可以訪問所有的系統(tǒng)資源，也可以任意地

進(jìn)行處理器模式切換。其中以下 6 種又稱為異常模式：

（1）快速中斷模式（FIQ）。

（2）外部中斷模式（IRQ）。

（3）特權(quán)模式（Supervior）。

（4）數(shù)據(jù)訪問中止模式（Abort）。

（5）未定義指令中止模式（Undef）。

（6）監(jiān)控模式（Monitor）。

處理器模式可以通過軟件控制進(jìn)行切換，也可以通過外部中斷或異常處理過程進(jìn)行切換。

大多數(shù)的用戶程序運(yùn)行在用戶模式下。當(dāng)處理器工作在用戶模式時(shí)，應(yīng)用程序不能訪問受操作系統(tǒng)保護(hù)的一些系統(tǒng)資源，應(yīng)用程序也不能

直接進(jìn)行處理器模式切換。當(dāng)需要進(jìn)行處理器模式切換時(shí)，應(yīng)用程序可以產(chǎn)生異常處理，在異常處理過程中進(jìn)行處理器模式切換。這種體

系結(jié)構(gòu)可以使操作系統(tǒng)控制整個(gè)系統(tǒng)資源的使用。當(dāng)應(yīng)用程序發(fā)生異常中斷時(shí)，處理器進(jìn)入相應(yīng)的異常模式。在每一種異常模式中都有一

組專用寄存器以供相應(yīng)的異常處理程序使用，這樣就可以保證在進(jìn)入異常模式時(shí)用戶模式下的寄存器（保存程序運(yùn)行狀態(tài)）不被破壞。

04. 寄存器

ARM 處理器有如下 40 個(gè) 32 位長的寄存器。

（1）33 個(gè)通用寄存器。

（2）6 個(gè)狀態(tài)寄存器：1 個(gè) CPSR（Current Program Status Register，當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器），5 個(gè) SPSR（Saved Program Status

（3）1 個(gè) PC（Program Counter，程序計(jì)數(shù)器）。

ARM 處理器共有 7 種不同的處理器模式，在每一種處理器模式中都有一組相應(yīng)的寄存器組，下圖列出了 ARM 處理器的寄存器組織概

要。

當(dāng)前處理器的模式?jīng)Q定著哪組寄存器可操作，任何模式都可以存取下列寄存器。

（1）相應(yīng)的 R0～R12。

（2）相應(yīng)的R13（Stack Pointer，SP，棧指向）和R14（the Link Register，LR，鏈路寄存器）。

（3）相應(yīng)的 R15（PC）。

（4）相應(yīng)的 CPSR。

特權(quán)模式（除 System 模式外）還可以存取相應(yīng)的 SPSR。

通用寄存器根據(jù)其分組與否可分為以下兩類。

（1）未分組寄存器（Unbanked Register），包括 R0～R7。

（2）分組寄存器（Banked Register），包括 R8～R14。

未分組寄存器
未分組寄存器包括 R0～R7。顧名思義，在所有處理器模式下對(duì)于每一個(gè)未分組寄存器來說，指的都是同一個(gè)物理寄存器。未分組寄存器

沒有被系統(tǒng)用于特殊的用途，任何可采用通用寄存器的應(yīng)用場合都可以使用未分組寄存器。但由于其通用性，在異常中斷所引起的處理器

模式切換時(shí)，其使用的是相同的物理寄存器，所以也就很容易使寄存器中的數(shù)據(jù)被破壞。

分組寄存器
R8～R14 是分組寄存器，它們每一個(gè)訪問的物理寄存器取決于當(dāng)前的處理器模式。對(duì)于分組寄存器 R8～R12 來說，每個(gè)寄存器對(duì)應(yīng)兩個(gè)

不同的物理寄存器。一組用于除FIQ 模式外的所有處理器模式，而另一組則專門用于 FIQ 模式。這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有利于加快 FIQ 的處理速

度。不同模式下寄存器的使用，要使用寄存器名后綴加以區(qū)分。例如，當(dāng)使用 FIQ 模式下的寄存器時(shí)，寄存器 R8 和寄存器 R9 分別記為

R8_fiq、R9_fiq；當(dāng)使用用戶模式下的寄存器時(shí)，寄存器 R8 和 R9 分別記為 R8_usr、R9_usr 等。在 ARM 體系結(jié)構(gòu)中，R8～R12 沒有任

何指定的其他的用途，所以當(dāng) FIQ 中斷到達(dá)時(shí)，不用保存這些通用寄存器，也就是說，FIQ 處理程序可以不必執(zhí)行保存和恢復(fù)中斷現(xiàn)場的

指令，從而可以使中斷處理過程非常迅速。所以 FIQ 模式常被用來處理一些時(shí)間緊急的任務(wù)，如 DMA 處理。對(duì)于分組寄存器 R13 和 R14

來說，每個(gè)寄存器對(duì)應(yīng) 6 個(gè)不同的物理寄存器。其中的一個(gè)是用戶模式和系統(tǒng)模式公用的，而另外 5 個(gè)分別用于 5 種異常模式。訪問時(shí)

需要指定它們的模式。名字形式如下：

（1）R13_<mode>

（2）R14_<mode>
其中，<mode>可以是以下幾種模式之一：usr、svc、abt、und、irp、fiq 及 mon。R13 寄存器在 ARM 處理器中常用作堆棧指針，稱為

SP。當(dāng)然，這只是一種習(xí)慣用法，并沒有任何指令強(qiáng)制性的使用 R13 作為堆棧指針，用戶完全可以使用其他寄存器作為堆棧指針。而在

Thumb 指令集中，有一些指令強(qiáng)制性地將 R13 作為堆棧指針，如堆棧操作指令。每一種異常模式擁有自己的 R13。異常處理程序負(fù)責(zé)初

始化自己的 R13，使其指向該異常模式專用的棧地址。在異常處理程序入口處，將用到的其他寄存器的值保存在堆棧中，返回時(shí)，重新將

這些值加載到寄存器。通過這種保護(hù)程序現(xiàn)場的方法，異常不會(huì)破壞被其中斷的程序現(xiàn)場。寄存器 R14 又被稱為連接寄存器（Link

（1）每一種處理器模式用自己的 R14 存放當(dāng)前子程序的返回地址。當(dāng)通過 BL 或 BLX指令調(diào)用子程序時(shí)，R14 被設(shè)置成該子程序的返回

地址。在子程序返回時(shí)，把 R14 的值復(fù)制到程序計(jì)數(shù)器（PC）。典型的做法是使用下列兩種方法之一。

① 執(zhí)行下面任何一條指令。

MOV PC, LR BX LR

② 在子程序入口處使用下面的指令將 PC 保存到堆棧中。

STMFD SP!, {<register>,LR}

在子程序返回時(shí)，使用如下相應(yīng)的配套指令返回。

LDMFD SP!, {<register>,PC}

（2）當(dāng)異常中斷發(fā)生時(shí)，該異常模式特定的物理寄存器 R14 被設(shè)置成該異常模式的返回地址，對(duì)于有些模式 R14 的值可能與返回地址有

一個(gè)常數(shù)的偏移量（如數(shù)據(jù)異常使用SUB PC，LR，#8 返回）。具體的返回方式與上面的子程序返回方式基本相同，但使用的指令稍微有

些不同，以保證當(dāng)異常出現(xiàn)時(shí)正在執(zhí)行的程序的狀態(tài)被完整保存。R14 也可以被用作通用寄存器使用。

05. 程序狀態(tài)寄存器

當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器（Current Program Status Register，CPSR）可以在任何處理器模式下被訪問，它包含下列內(nèi)容：

（1）ALU（Arithmetic Logic Unit，算術(shù)邏輯單元）狀態(tài)標(biāo)志的備份。

（2）當(dāng)前的處理器模式。

（3）中斷使能標(biāo)志。

（4）設(shè)置處理器的狀態(tài)。

每一種處理器模式下都有一個(gè)專用的物理寄存器做備份程序狀態(tài)寄存器（SavedProgram Status Register，SPSR）。當(dāng)特定的異常中斷

發(fā)生時(shí)，這個(gè)物理寄存器負(fù)責(zé)存放當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器的內(nèi)容。當(dāng)異常處理程序返回時(shí)，再將其內(nèi)容恢復(fù)到當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器。CPSR

寄存器（和保存它的 SPSR 寄存器）中的位分配如下圖所示。

下面給出各個(gè)狀態(tài)位的定義。

1．標(biāo)志位

N（Negative）、Z（Zero）、C（Carry）和 V（oVerflow）通稱為條件標(biāo)志位。這些條件標(biāo)志位會(huì)根據(jù)程序中的算術(shù)指令或邏輯指令的

執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行修改，而且這些條件標(biāo)志位可由大多數(shù)指令檢測以決定指令是否執(zhí)行。在 ARM 4T 架構(gòu)中，所有的 ARM 指令都可以條件執(zhí)

行，而 Thumb 指令卻不能。各條件標(biāo)志位的具體含義如下。

1）N

本位設(shè)置成當(dāng)前指令運(yùn)行結(jié)果的 bit[31]的值。當(dāng)兩個(gè)由補(bǔ)碼表示的有符號(hào)整數(shù)運(yùn)算時(shí)，N = 1 表示運(yùn)算的結(jié)果為負(fù)數(shù)，N = 0 表示結(jié)果為

正數(shù)或零。

2）Z

Z = 1 表示運(yùn)算的結(jié)果為零，Z = 0 表示運(yùn)算的結(jié)果不為零。

3）C

下面分 4 種情況討論 C 的設(shè)置方法。

（1）在加法指令中（包括比較指令 CMN），當(dāng)結(jié)果產(chǎn)生了進(jìn)位，則 C = 1，表示無符號(hào)數(shù)運(yùn)算發(fā)生上溢出；其他情況下 C = 0。

（2）在減法指令中（包括比較指令 CMP），當(dāng)運(yùn)算中發(fā)生錯(cuò)位（即無符號(hào)數(shù)運(yùn)算發(fā)生下溢出），則 C = 0；其他情況下 C = 1。

（3）對(duì)于在操作數(shù)中包含移位操作的運(yùn)算指令（非加/減法指令），C 被設(shè)置成被移位寄存器最后移出去的位。

（4）對(duì)于其他非加/減法運(yùn)算指令，C 的值通常不受影響。

4）V

下面分兩種情況討論 V 的設(shè)置方法。

（1）對(duì)于加/減運(yùn)算指令，當(dāng)操作數(shù)和運(yùn)算結(jié)果都是以二進(jìn)制的補(bǔ)碼表示的帶符號(hào)的數(shù)時(shí)，且運(yùn)算結(jié)果超出了有符號(hào)運(yùn)算的范圍是溢出。

V = 1 表示符號(hào)位溢出。

（2）對(duì)于非加/減法指令，通常不改變標(biāo)志位 V 的值（具體可參照 ARM 指令手冊(cè)）。盡管以上 C 和 V 的定義看起來頗為復(fù)雜，但使用時(shí)

在大多數(shù)情況下用一個(gè)簡單的條件測試指令即可，不需要程序員計(jì)算出條件碼的精確值即可得到需要的結(jié)果。

2．Q 標(biāo)志位

在帶 DSP 指令擴(kuò)展的 ARM v5 及更高版本中，bit[27]被指定用于指示增強(qiáng)的 DAP 指令是否發(fā)生了溢出，因此也就被稱為 Q 標(biāo)志位。同

樣，在 SPSR 中 bit[27]也被稱為 Q 標(biāo)志位，用于在異常中斷發(fā)生時(shí)保存和恢復(fù) CPSR 中的 Q 標(biāo)志位。在 ARM v5 以前的版本及 ARM v5

的非 E 系列處理器中，Q 標(biāo)志位沒有被定義，屬于待擴(kuò)展的位。

3．控制位

CPSR 的低 8 位（I、F、T 及 M[4:0]）統(tǒng)稱為控制位。當(dāng)異常發(fā)生時(shí)，這些位的值將發(fā)生相應(yīng)的變化。另外，如果在特權(quán)模式下，也可以

通過軟件編程來修改這些位的值。

1）中斷禁止位

I = 1，IRQ 被禁止。

F = 1，FIQ 被禁止。

2）狀態(tài)控制位

T 位是處理器的狀態(tài)控制位。

T = 0，處理器處于 ARM 狀態(tài)（即正在執(zhí)行 32 位的 ARM 指令）。

T = 1，處理器處于 Thumb 狀態(tài)（即正在執(zhí)行 16 位的 Thumb 指令）。

當(dāng)然，T 位只有在 T 系列的 ARM 處理器上才有效，在非 T 系列的 ARM 版本中，T 位將始終為 0。

3）模式控制位

M[4:0]作為位模式控制位，這些位的組合確定了處理器處于哪種狀態(tài)，下圖列出了其具體含義。

只有表中列出的組合是有效的，其他組合無效。

4．IF-THEN 標(biāo)志位

CPSR 中的 bits[15:10,26:25]稱為 if-then 標(biāo)志位，它用于對(duì) thumb 指令集中 if-then-else這一類語句塊的控制。其中 IT[7:5]定義為基本

條件，如下圖所示。IT[4:0]被定義為 IF-THEN 語句塊的長度。

5．E 位/A 位/GE[19-16]位的定義

A 表示異步異常禁止位。

E 表示大小端控制位，0 表示小端操作，1 表示大端操作。注意，該位在預(yù)取階段是被忽略的。

GE[19-16]用于表示在 SIMD 指令集中的大于、等于標(biāo)志。在任何模式下該位可讀可寫。

06. 附錄

6.1 ARM官方網(wǎng)站: https://developer.arm.com/

6.2 ARM Architecture Reference Manual

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的【ARM】Programmers Model的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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