ARM

ARM处理器基础

• 数据在内核各个组成部分之间是如何移动的。
• 从软件开发的角度描述ARM处理器的编程模型，从而了解内核的功能以及不同部分之间的相互作用。
• 内核扩充
• ARM 内核结构的不同版本和指令集结构的变化
• 对内核结构分类

程序员可以把ARM内核看作是由数据总线连接的各个功能单元的集合， 如下图所示：
数据通过数据总线进入处理器核，这里的数据可能是数据项或指令，该图显示了冯诺伊曼结构的ARM实现--数据和指令共享同一总线，若是哈弗结构，则使用两条总线。

与所有RISC处理器一样，ARM处理器采用load-store体系结构，这意味着它只有两种类型的指令用于把数据移入移出处理器；load指令从存储器复制数据到内核的寄存器，store 指令从寄存器复制数据到存储器，没有直接操作存储器数据的指令，因此数据处理只能在寄存器里进行。

由于 ARM 是32位，大部分指令认为寄存器中保存的是32位有符数或无符号数， 因此当从存储器读取一个数据到寄存器时，符号扩展会将8位和16位有符号数转换成32位；

典型的ARM指令通常有两个源寄存器 Rn, Rm和一个目的寄存器 Rd, 源操作数分别通过内部总线A和B从寄存器中读出，ALU（算术逻辑单元）和 MAC(乘累加单元) 通过 A, B总线得到寄存器值 Rn, Rm 并计算出一个结果后将结果Rd 写到寄存器中。

load-store 使用ALU来产生一个地址，这个地址将被保存到地址寄存器并发送到地址总线。

ARM的一个重要特性是寄存器Rm可以选择在进入ALU之前是否先经过桶形移位器预处理。桶形移位器和ALU的协作可以计算较大范围的表达式和地址。

在经过有关功能单元后，Rd寄存器里的结果通过结果总线写回到寄存器文件，对于load-store指令，在写入或读取之前，地址加法器会自动更新地址寄存器。

寄存器

通用寄存器可以保存数据和地址，它们用r为前缀加该寄存器的序号来标识。
下图列出了在用户模式（一种受限模式，通常用于执行应用程序）下的有效活动寄存器。处理器可以在7种不同的模式下运行。

最多可有18个活动寄存器，16个数据寄存器和两个处理器状态寄存器，程序员可见的数据寄存器是 r0~R15。有3个寄存器被赋予了特殊的功能：

• r13 (sp) 通常用作堆栈指针，保存当前处理器模式的堆栈栈顶。
• r14 (lr) 又称为链接寄存器，保存调用子程序的返回地址。
• r15 (pc) 程序计数器，保存处理器要取下一个指令的地址.

寄存器 R0~R13 是正交的--任何指令如果可使用r0，那么也就可以使用其他寄存器，但是有些指令是以特殊的方式来对待人r14和r15

除了16个数据寄存器,还有两个程序状态寄存器：cpsr和spsr (分别是当前和备份的程序状态寄存器)

寄存器文件包含所有程序员可利用的寄存器，哪些寄存器对程序员是可见的取决于当前的处理器模式；

当前程序状态寄存器

ARM使用 cpsr 来监视和控制内部测操作。cpsr分为4个8位区域：标志域，状态域，扩展域和控制域。扩展域和状态与目前保留，以便将来使用。控制域包含处理器模式、状态和中断屏蔽位。标志域包含条件标志位。

处理器模式

共有7种处理器模式：6种特权模式：中止模式、中断模式、快速中断模式、管理模式、系统模式、未定义模式；1种非特权模式--用户模式；模式决定了那些寄存器是活动的，以及对cpsr的访问权限。特权模式允许对cpsr完全访问，非特全模式只允许读cpsr的控制域，单运行读写标志域；

当处理器访问存储器失败时，进入访问中止模式，中断模式和快速中断模式分别对ARM处理器两种不同级别的中断作出响应；处理器复位后进入管理模式，操作系统内核通常处于这种模式；系统模式是一种特殊的用户模式，允许对cpsr完全读写；当处理器遇到没有定义的指令或处理器不支持该指令，进入未定义模式；用户模式运行应用程序。

分组寄存器

下图列出寄存器文件里所有37个寄存器，不过在不同时刻，有20个寄存器对程序是隐藏的。这些寄存器被称为分组寄存器，即图中的阴影部分。只有当处理器处于某种特定模式时，它们才有效，例如，中止模式使用分组寄存器r13_abt, r14_abt 和spsr_abt。除用户模式外，每一种模式都可以改写cpsr来改变当前模式。