ARM的編程模式及寄存器
根據朱老師的課程及下面博客整理
http://blog.chinaunix.net/uid-20443992-id-5700979.html
ARM 采用的是32位架構
ARM 約定:
Byte ： 8 bits
Halfword ：16 bits (2 byte)
Word ： 32 bits (4 byte)
大部分ARM core 提供：
ARM 指令集（32-bit）
Thumb 指令集（16-bit ）
Thumb2指令集（16 & 32bit）
ARM 有7個基本工作模式：
User ：非特權模式，大部分任務執行在這種模式。
FIQ ：當一個高優先級（fast)
IRQ ：當一個低優先級（normal) 中斷產生時將會進入這種模式，通常在硬件中斷信號後進入該模式。
Supervisor ：當復位或軟中斷指令執行時將會進入這種模式，主要用於系統的初始化。
Abort ：當存取異常時將會進入這種模式，當訪問非法地址或讀取無權限內存地址時進入該模式。
Undef ：當執行未定義指令時會進入這種模式，用於支持硬件協處理器的軟件仿真。
System ：使用和User模式相同寄存器集的特權模式。
註意：
（1）除User（用戶模式）是Normal（普通模式）外，其他
（2）Privilege中除Sys模式外，其余5種為異常模式。
（3）各種模式的切換，可以是程序員通過代碼主動切換（通過寫CPSR寄存器）；也可以是CPU在某些情況下自動切換。
（4）各種模式下權限和可以訪問的寄存器不同。
ARM中7種模式下的寄存器
ARM共有37個寄存器，都是32位長度
37個寄存器中30個為“通用”型，1個固定用作PC，一個固定用作CPSR，5個固定用作5種異常模式下的SPSR。
圖中有名字相同的寄存器，但是不是同一個寄存器。如r13在不同的模式下都有，但是不同模式下的r13都是不一樣的，這種寄存器叫影子寄存器。
（1）黑色部分的代表共用的寄存器，其他顏色的代表對應工作模式下才有的寄存器。
（2）為什麽7種模式下的r13是不一樣的？
r13（sp）是堆棧指針，如果7種模式都是采用同一個堆棧指針的話，在某一個模式中，堆棧出現了問題，則會導致7中模式都奔潰，故7種模式的棧都是不同的。
（3）r14（lr）是用來存儲返回地址的，每種模式的r14都是不同的寄存器。
（4）spsr是用於切換模式前，將當前模式的cpsr的內容保存起來，在返回時，再將spsr的值給cpsr。
（5）PC（Program control register）為程序指針，PC指向哪裏，CPU就會執行哪條指令（所以程序跳轉時就是把目標地址代碼放到PC中）。
（6）整個CPU中只有一個PC（CPSR也只有一個，但SPSR有5個）。
程序狀態寄存器CPSR
N（Negative）---設置成當前指令運算結果的bit[31]的值。當兩個有符號整數運算時，N=1運算結果為負數，N=0運算結果為正。
Z（Zero）---Z=1運算結果為零；Z=0表示運算的結果不為零。對於CMP指令，Z=1表示進行比較的兩個數大小相等。
C（Carried out）---分四種情況討論
1）在加法指令中（包括比較指令CMP），當結果產生進位，則C=1，表示無符號運算發生上溢出；其他情況C=0。
2）在減法指令中（包括減法指令CMP），當運算發生借位，則C=0，表示無符號運算發生下溢出；其他情況下C=1。
3）對於包含移位操作的非加減運算指令，C中包含最後一次溢出的位的數值
4）對於其他非加減運算指令，C位的值通常不受影響
V（oVerflow）---對於加減運算指令，當操作數和運算結果為二進制的補碼表示的帶符號數時，V=1符號為溢出；通常其他指令不影響V位。
I和F---當I=1時禁止IRQ中斷，當F=1時禁止FIQ中斷
T---對於ARM V4以更高版本的T系列ARM處理器，T=0表示執行ARM指令；T=1表示執行Thumb指令
M[4:0]---定義了的ARM工作模式，具體下中表CSPR[4：0]定義的ARM工作模式。
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CPSR[4:0] |
處理器模式 |
可訪問的寄存器 |
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0b10000 |
USER |
R0~R14；PC；CPSR |
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0b10001 |
FIQ |
R0~R7；R8_FIQ-R14_fiq；PC；CPSR；SPSR_fiq |
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0b10010 |
IRQ |
R0~R12；R13_irq-R14_irq；PC；CPSR；SPSR_irq |
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0b10011 |
SUPERVISOR |
R0~R12；R13_svc-R14_svc；PC；CPSR；SPSR_svc |
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0b10111 |
ABORT |
R0~R12；R13_abt-R14_abt；PC；CPSR；SPSR_abt |
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0b11011 |
UNDEFINED |
R0~R12；R13_und-R14_und；PC；CPSR；SPSR_und |
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0b11111 |
SYSTEM |
R0~R14；PC；CPSR |
R0~R7
所有工作模式下，R0-R7都分別指向同一個物理寄存器（共8個物理寄存器），它們未被系統用作特殊的用途。在中斷或異常處理進行工作模式轉換時，由於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據的破壞。
R8~R12
在User&System、IRQ、Svc、Abt和Und模式下訪問的R8~R12都是同一個物理寄存器（共5個物理寄存器）；在FIQ模式下，訪問的R8_fiq~R12_fiq是另外獨立的物理寄存器（共5個物理寄存器）。
R13和R14
在User&System、IRQ、FIQ、Svc、Abt和Und訪問的R13_~R14都是各自模式下獨立的物理寄存器（共12個物理寄存器）。
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，某些指令強制性的要求使用R13作為堆棧指針。
由於處理器的每種工作模式均有自己獨立的物理寄存器R13，在用戶應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棧空間。這樣，當程序進入異常模式時，可以將需要保護的寄存器放入R13所指向的堆棧，而當程序從異常模式返回時，則從對應的堆棧中恢復，采用這種方式可以保證異常發生後程序的正常執行。
R14稱為鏈接寄存器(Link Register)，當執行子程序調用指令(BL)時，R14可得到R15(程序計數器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，當用BL或BLX指令調用子程序時，將PC的當前值復制給R14，執行完子程序後，又將R14的值復制回PC，即可完成子程序的調用返回。以上的描述可用指令完成。
執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}
對應的，使用以下指令可以完成子程序返回：
LDMFD SP！,{,PC}
程序計數器PC(R15)
所有工作模式下訪問的R15都是同一個物理寄存器，由於ARM體系結構采用了多級流水線技術，對於ARM指令集而言，PC總是指向當前指令的下兩條指令的地址，即PC的值為當前指令的地址值加8個字節(每個ARM指令四個字節)。
CPSR和SPSR
R16用作CPSR(Current Program Status Register，當前程序狀態寄存器)，CPSR可在任何工作模式下被訪問，它包括條件標誌位、中斷禁止位、當前處理器模式標誌位，以及其他一些相關的控制和狀態位。
每一種工作模式下又都有一個專用的物理狀態寄存器，稱為SPSR(Specified Program Status Register，備份的程序狀態寄存器)，當異常發生時，SPSR用於保存CPSR的當前值，從異常退出時則可由SPSR來恢復CPSR。
User模式和System模式不屬於異常模式，它們沒有SPSR，當在這兩種模式下訪問SPSR，結果是未知的。
ARM的編程模式及寄存器