目錄

• 0.ARM架構的歷史簡介
• 1.Cortex-A7 MPCore(即多核) 簡介
• 2.Cortex-A 處理器九種運行模式
• 3.Cortex-A 寄存器組（內核寄存器）
• • 3.1通用寄存器
  • • 3.1.1未備份寄存器(R0~R7)
    • 3.1.2備份寄存器(R8~R12、SP指針R13、備份R14也叫LR)
    • 3.1.3程序計數器R15(PC)
  • 3.2程序狀態寄存器(CPSR)

0.ARM架構的歷史簡介

摘自：「ARM 架構」是一種怎樣的處理器架構？ - 大貍的回答 - 知乎
https://www.zhihu.com/question/325679399/answer/692728301

打個比方，ARM一開始是一家蓋房子的公司，后面這家公司蓋房子業績平平，于是就轉變策略不蓋房子了，轉而開始賣蓋房子所需要的設計圖紙方案，同時還和買方案蓋房子的客戶一起蓋房子。在這里，房子就是所謂的芯片，圖紙方案就是指芯片的算法，架構等等的知識產權。

ARM向他的客戶提供授權，軟件包等，通過授權費和版稅賺錢，然后因為這種模式，又因為很多公司也需要芯片處理器，于是ARM就與很多公司產生了合作關系，比如德州儀器，蘋果，諾基亞等等。

90年代初，移動終端開始興起，ARM認為移動終端的前景不錯，就和諾基亞合作推出了第一款ARM處理器的手機。后面嘗到了甜頭，而且和喬布斯的關系也挺好，于是就專門為蘋果產品設計了處理器，而喬布斯天才的產品能力，將iPod和iPhone打造成了改變世界的爆款。

由于各種應用都是建立在ARM的地基上的，ARM的處理器便理所應當的一躍成為移動終端中無法替代的核心。那么好吧，谷歌研發安卓的時候一看大家都是這么玩，也只能順應潮流，就把房子蓋在ARM的地基上了。

ARM的對手，因特爾在90年代初因為覺得手機沒什么發展前景，不肯投入，把這塊市場拱手讓給了ARM，現在估計腸子都悔青了。ARM走到今天這一步，也是順應了科技的潮流，因為移動終端的迅猛發展，將它推到了這個位置上。

ARM早些年的芯片分為ARMv1，2，3，4，5，6體系，每個體系下又有細分的產品，后來ARM覺得這個名字不好聽，在做新的處理器ARMv7體系架構時就起了個聽起來高大上的名字，叫大腦皮層Cortex，對應不同的市場分別有三個系列A，R，M。其中，A系列是對應智能移動終端的。

ARM的處理器所用的指令集為精簡指令集RISC（Reduced Instruction Set Computing），其指令比較簡單，ARM處理器的功耗是非常低的，所以是很適用于手機這種小型的移動設備上的。

現如今的手機芯片，都需要在ARM搭建好的框架里去"蓋房子"，要想去搭建框架，不是一朝一夕能夠完成的，將會是一個漫長探索，大量投入過程。

1.Cortex-A7 MPCore(即多核) 簡介

參考了《Cortex-A7 Technical ReferenceManua.pdf》和《ARM Cortex-A(armV7)編程手冊 V4.0.pdf》這倆份文檔，這兩份文檔都是 ARM 官方的文檔，詳細的介紹了 Cortex-A7 架構和ARMv7-A 指令集。

Cortex-A7 MPcore 處理器支持 1~4 核，通常是和 Cortex-A15 組成 big.LITTLE 架構的，Cortex-A15 作為大核負責高性能運算，比如玩游戲啥的，Cortex-A7 負責普通應用，因為 Cortex-A7 省電。

Cortex-A7 本身性能也不弱，不要看它叫做 Cortex-A7 但是它可是比 Cortex-A8 性能要強大，而且更省電。ARM 官網對于 Cortex-A7 的說明如下：

“在 28nm 工藝下，Cortex-A7 可以運行在 1.2~1.6GHz，并且單核面積不大于 0.45mm 2 (含有浮點單元、NEON 和 32KB 的 L1 緩存)，在典型場景下功耗小于 100mW， 這使得它非常適合對功耗要求嚴格的移動設備，這意味著 Cortex-A7 在獲得與 Cortex-A9 相似性能的情況下，其功耗更低”。

Cortex-A7 MPCore 支持在一個處理器上選配 1~4 個內核，Cortex-A7 MPCore 多核配置如圖：

Cortex-A7 MPCore 的 L1 可選擇 8KB、16KB、32KB、64KB，L2 Cache 可以不配，也可以選擇 128KB、256KB、512KB、1024KB。I.MX6UL 配置了 32KB 的 L1 指令 Cache 和 32KB 的L1 數據 Cache，以及 128KB 的 L2 Cache。Cortex-A7MPCore 使用 ARMv7-A 架構，主要特性如下：

• ①、SIMDv2 擴展整形和浮點向量操作。
• ②、提供了與 ARM VFPv4 體系結構兼容的高性能的單雙精度浮點指令，支持全功能的IEEE754。
• ③、支持大物理擴展(LPAE)，最高可以訪問 40 位存儲地址，也就是最高可以支持 1TB 的內存。
• ④、支持硬件虛擬化。
• ⑤、支持 Generic Interrupt Controller(GIC)V2.0。
• ⑥、支持 NEON，可以加速多媒體和信號處理算法。

2.Cortex-A 處理器九種運行模式

以前的 ARM 處理器有 7 種運行模型：User、FIQ、IRQ、Supervisor(SVC)、Abort、Undef和 System，其中 User 是非特權模式（某些訪問受限，比如你的開機密碼），其余 6 種都是特權模式（訪問不受限）。但新的 Cortex-A 架構加入了TrustZone 安全擴展，所以就新加了一種運行模式：Monitor，新的處理器架構還支持虛擬化擴展，因此又加入了另一個運行模式：Hyp，所以 Cortex-A7 處理器有 9 種處理模，如表（知道前3個即可）：

模式描述

User(USR)	用戶模式，非特權模式，大部分程序運行的時候就處于此模式。
FIQ	快速中斷模式，進入 FIQ 中斷異常
IRQ	一般中斷模式（FIQ、IRQ二者區別）
Supervisor(SVC)	超級管理員模式，特權模式，供操作系統使用。
Monitor(MON)	監視模式？這個模式用于安全擴展模式。
Abort(ABT)	數據訪問終止模式，用于虛擬存儲以及存儲保護。
Hyp(HYP)	超級監視模式？用于虛擬化擴展。
Undef(UND)	未定義指令終止模式。
System(SYS)	系統模式，用于運行特權級的操作系統任務

注：‘？’表示為筆者翻譯，不保證翻譯的準確性。

除了 User(USR)用戶模式以外，其它 8 種運行模式都是特權模式。這幾個運行模式可以通過軟件進行任意切換，也可以通過中斷或者異常來進行切換。大多數的程序都運行在用戶模式，用戶模式下是不能訪問系統所有資源的，有些資源是受限的，要想訪問這些受限的資源就必須進行模式切換。但是用戶模式是不能直接進行切換的，用戶模式下需要借助異常來完成模式切換，當要切換模式的時候，應用程序可以產生異常，在異常的處理過程中完成處理器模式切換。

當中斷或者異常發生以后，處理器就會進入到相應的異常模式種，每一種模式都有一組寄存器供異常處理程序使用，這樣的目的是為了保證在進入異常模式以后，用戶模式下的寄存器不會被破壞。

如果學過 STM32 和 UCOS、FreeRTOS 就會知道，STM32 只有兩種運行模式，特權模式和非特權模式，但是 Cortex-A 就有 9 種運行模式。

3.Cortex-A 寄存器組（內核寄存器）

這是Cortex-A 的內核寄存器組，注意不是芯片的外設（RAM）寄存器（不是開發使用的用戶手冊上的寄存器）！！！

寄存器：指的是CPU內核里的寄存器，如r0,r1等
外設寄存器：一般是指一些某一特殊功能的物理地址，外設寄存器的物理地址都在0x48000000~0x5FFFFFFF。外設寄存器就是平常說的ARM中的特殊功能寄存器。

CPU，全名Central Processing Unit（中央處理器）。這是一塊超大規模的集成電路，包含上億的晶體管，是一臺計算機的運算核心（Core）和控制核心（ControlUnit）。它的功能主要是解釋計算機指令以及處理計算機軟件中的數據。
　　它的主要構成是：運算器、控制器、寄存器

• 運算器：可以執行定點或浮點算術運算操作、移位操作以及邏輯操作，也可執行地址運算和轉換。
• 控制器：主要是負責對指令譯碼，并且發出為完成每條指令所要執行的各個操作的控制信號。其結構有兩種：一種是以微存儲為核心的微程序控制方式；一種是以邏輯硬布線結構為主的控制方式。
• 寄存器：寄存器部件，包括寄存器、專用寄存器和控制寄存器。通用寄存器又可分定點數和浮點數兩類，它們用來保存指令執行過程中臨時存放的寄存器操作數和中間（或最終）的操作結果。通用寄存器是中央處理器的重要部件之一。

主要參考
《ARM Cortex-A(armV7)編程手冊 V4.0.pdf》的“第 3 章 ARM Processor Modes And Registers”。

ARM 架構提供了 16 個 32 位的通用寄存器(R0~R15)供軟件使用，前 15 個(R0~R14)可以用作通用的數據存儲，R15 是程序計數器 PC，用來保存將要執行的指令。ARM 還提供了一個當前程序狀態寄存器 CPSR 和一個備份程序狀態寄存器 SPSR，SPSR 寄存器就是 CPSR 寄存器的備份（標了虛線，表示有些模式下是沒有的）。

R13寄存器是就是堆棧指針SP寄存器！

Cortex-A7 有 9 種運行模式，每一種運行模式都有一組與之對應的寄存器。每一種模式可見的寄存器包括 15 個通用寄存器(R0~R14)、一兩個程序狀態寄存器和一個程序計數器 PC。在這些寄存器中，有些是所有模式所共用的同一個物理寄存器，有一些是各模式自己所獨立擁有的，各個模式所擁有的寄存器如表：

淺色字體的是與 User 模式所共用的寄存器，藍綠色背景的是各個模式所獨有的寄存器。可以看出，在所有的模式中，低寄存器組(R0~R7)是共享同一組物理寄存器的，只是一些高寄存器組在不同的模式有自己獨有的寄存器，比如 FIQ 模式下 R8~R14 是獨立的物理寄存器。假如某個程序在 FIQ 模式下訪問 R13 寄存器，那它實際訪問的是寄存器 R13_fiq，如果程序處于 SVC 模式下訪問 R13 寄存器，那它實際訪問的是寄存器 R13_svc。總結一下，Cortex-A 內核寄存器組成如下：

• ①、34 個通用寄存器，包括 R15 程序計數器(PC)，這些寄存器都是 32 位的。
• ②、8 個狀態寄存器，包括 CPSR 和 SPSR。
• ③、Hyp 模式下獨有一個 ELR_Hyp 寄存器。

注意：ARM的CPU 不能直接訪問存儲器(RAM)中的數據，必須要通過中間的寄存器R0（還是RX？），在后面的匯編章節會講到。

3.1通用寄存器

R0~R15 就是通用寄存器，通用寄存器可以分為以下三類：
①、未備份寄存器，即 R0~R7。
②、備份寄存器，即 R8~R14。
③、程序計數器 PC，即 R15。

3.1.1未備份寄存器(R0~R7)

未備份寄存器指的是 R0~R7 這 8 個寄存器，因為在所有的處理器模式下這 8 個寄存器都是同一個物理寄存器，在不同的模式下，這 8 個寄存器中的數據就會被破壞。所以這 8 個寄存器并沒有被用作特殊用途

3.1.2備份寄存器(R8~R12、SP指針R13、備份R14也叫LR)

備份寄存器中的 R8~R12 這 5 個寄存器有兩種物理寄存器，在快速中斷模式下(FIQ)它們對應著 Rx_irq(x=8~12)物理寄存器，其他模式下對應著 Rx(8~12)物理寄存器。FIQ 是快速中斷模式，看名字就是知道這個中斷模式要求快速執行！ FIQ 模式下中斷處理程序可以使用 R8~R12寄存器，因為 FIQ 模式下的 R8~R12 是獨立的，因此中斷處理程序可以不用執行保存和恢復中斷現場的指令，從而加速中斷的執行過程。

備份寄存器 R13一共有 8 個物理寄存器，其中一個是用戶模式(User)和系統模式(Sys)共用的，剩下的 7 個分別對應 7 種不同的模式。R13 也叫做 SP，用來做為棧指針。基本上每種模式都有一個自己的 R13 物理寄存器，應用程序會初始化 R13，使其指向該模式專用的棧地址，這就是常說的初始化 SP 指針。

備份寄存器 R14 一共有 7 個物理寄存器，其中一個是用戶模式(User)、系統模式(Sys)和超級監視模式(Hyp)所共有的，剩下的 6 個分別對應 6種不同的模式。R14 也稱為連接寄存器(LR)，LR 寄存器在 ARM 中主要用作如下兩種用途：

• ①、每種處理器模式使用 R14(LR)來存放當前子程序的返回地址（自己的理解：程序保存在ROM里面，運行在RAM里面，CPU內部寄存器保存程序的地址、SP堆棧指針及數據等，CPU內存運算器進行運算操作），如果使用 BL 或者 BLX來調用子函數的話，R14(LR)被設置成該子函數的返回地址，在子函數中，將 R14(LR)中的值賦給 R15(PC)即可完成子函數返回，比如在子程序中可以使用如下代碼：

MOV PC, LR 寄存器 LR 中的值賦值給 PC，實現跳轉\

或者可以在子函數的入口出將 LR 入棧：

PUSH {LR} 將 LR 寄存器壓棧

在子函數的最后面出棧即可：

POP {PC} 將上面壓棧的 LR 寄存器數據出棧給 PC 寄存器，嚴格意義上來講應該是將LR-4 賦給 PC，因為 3 級流水線，這里只是演示代碼。

• ②、當異常發生以后，該異常模式對應的R14寄存器被設置成該異常模式將要返回的地址，R14 也可以當作普通寄存器使用。

3.1.3程序計數器R15(PC)

程序計數器 R15 也叫做 PC，R15 保存著當前執行的指令地址值加 8 個字節，這是因為 ARM的流水線機制導致的。ARM 處理器 3 級流水線：取指->譯碼->執行，這三級流水線循環執行，比如當前正在執行第一條指令的同時也對第二條指令進行譯碼，第三條指令也同時被取出存放在 R15(PC)中。

我們喜歡以當前正在執行的指令作為參考點，也就是以第一條指令為參考點，那么 R15(PC)中存放的就是第三條指令，換句話說就是 R15(PC)總是指向當前正在執行的指令地址再加上 2 條指令的地址。對于 32 位的 ARM 處理器，每條指令是 4 個字節，所以:

R15 (PC)值 = 當前執行的程序位置 + 8 個字節。 0X2000 MOV R1, R0 ;執行 0X2004 MOV R2, R3 ;譯指 0X2008 MOV R4, R5 ;取值PC

3.2程序狀態寄存器(CPSR)

所有的處理器模式都共用一個 CPSR 物理寄存器，因此 CPSR 可以在任何模式下被訪問。*CPSR 是當前程序狀態寄存器，該寄存器包含了條件標志位、中斷禁止位、當前處理器模式標志等一些狀態位以及一些控制位。所有的處理器模式都共用一個 CPSR 必然會導致沖突，為此，除了 User 和 Sys 這兩個模式以外，其他 7 個模式每個都配備了一個專用的物理狀態寄存器，叫做 SPSR(備份程序狀態寄存器)，當特定的異常中斷發生時，SPSR 寄存器用來保存當前程序狀態寄存器(CPSR)的值，當異常退出以后可以用 SPSR 中保存的值來恢復 CPSR。

因為 User 和 Sys 這兩個模式不是異常模式，所以并沒有配備 SPSR，因此不能在 User 和Sys 模式下訪問 SPSR，會導致不可預知的結果。由于 SPSR 是 CPSR 的備份，因此 SPSR 和CPSR 的寄存器結構相同，如圖

• N(bit31)：當兩個補碼表示的 有符號整數運算的時候，N=1 表示運算對的結果為負數，N=0表示結果為正數。

• Z(bit30) ：Z=1 表示運算結果為零，Z=0 表示運算結果不為零，對于 CMP 指令，Z=1 表示進行比較的兩個數大小相等。

• C(bit29)：在加法指令中，當結果產生了進位，則 C=1，表示無符號數運算發生上溢，其它情況下 C=0。在減法指令中，當運算中發生借位，則 C=0，表示無符號數運算發生下溢，其它情況下 C=1。對于包含移位操作的非加/減法運算指令，C 中包含最后一次溢出的位的數值，對于其它非加/減運算指令，C 位的值通常不受影響。

• V(bit28) ：對于加/減法運算指令，當操作數和運算結果表示為二進制的補碼表示的帶符號數時，V=1 表示符號位溢出，通常其他位不影響 V 位。

• Q(bit27) ：僅 ARM v5TE_J 架構支持，表示飽和狀態，Q=1 表示累積飽和，Q=0 表示累積不飽和。

• IT[1:0] (bit26:25) ：和 IT[7:2] (bit15:bit10) 一起組成 IT[7:0]，作為 IF-THEN 指令執行狀態。

• J(bit24)： 僅 ARM_v5TE-J 架構支持，J=1 表示處于 Jazelle 狀態，此位通常和 T(bit5)位一起表示當前所使用的指令集，如表

JT描述

0	0	ARM
0	1	Thumb
1	1	ThumbEE
1	0	Jazelle

• GE[3:0 ] (bit19:16)：SIMD 指令有效，大于或等于。
• IT[7:2] (bit15:10) ：參考 IT[1:0]。
• E(bit9) ：大小端控制位，E=1 表示大端模式，E=0 表示小端模式。
• A(bit8) ：禁止異步中斷位，A=1 表示禁止異步中斷。
• I(bit7) ：I=1 禁止 IRQ，I=0 使能 IRQ。
• F(bit6) ：F=1 禁止 FIQ，F=0 使能 FIQ。
• T(bit5) ：控制指令執行狀態，表明本指令是 ARM 指令還是 Thumb 指令，通常和 J(bit24)一起表明指令類型，參考 J(bit24)位。
• M[4:0] ：處理器模式控制位，含義如表

M[4:0]處理器模式

10000	User 模式
10001	FIQ 模式
10010	IRQ 模式
10011	Supervisor(SVC)模式
10110	Monitor(MON)模式
10111	Abort(ABT)模式
11010	Hyp(HYP)模式
11011	Undef(UND)模式
11111	System(SYS)模式

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Cortex-A7 MPCore 架构详细介绍(九种运行模式、内核寄存器组R0~R15，有特定的名字和功能)的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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