ARM编程模型

原文：http://www.eefocus.com/article/08-08/49601s.html

ARM寻址方式与指令系统
ARM编程模型
ARM指令格式和寻址方式
ARM指令集
Thumb指令集

机器指令、伪指令和宏指令
机器指令：能被处理器直接执行，而伪指令宏和宏指令不能。机器指令包括ARM指令集和Thumb指令集；
伪指令：在源程序汇编期间，由汇编编译器处理。其作用是为汇编程序完成准备工作；
宏指令：在程序中用于调用宏，宏是一段独立的程序代码；在程序汇编时，对宏调用进行展开，用宏体代替宏指令。

ARM处理器模式
ARM微处理器支持7种工作模式：用户模式、系统模式、快速中断模式、外部中断模式、管理模式、中止模式、未定义指令模式。
除用户模式之外的其余6种称为非用户模式，或特权模式。
在特权模式中，除系统模式之外的其余5种称为异常模式。
处理器的各种工作模式由当前程序状态寄存器CPSR的低5位M[4:0]决定。
工作模式切换：
（1）发生异常，处理器自动改变CPSR中M[4:0]的值，进入相应的工作模式；
（2）处理器处于特权模式时，用指令向CPSR的M[4:0]字段写入特定的值，进入相应的工作模式。
用户模式时，不能改变工作模式，除非发生异常。

ARM处理器7种工作模式

特权模式

异常模式

用户和系统模式

处理器的工作状态
从编程的角度讲，ARM处理器工作在两种状态：ARM状态或Thumb状态。
（1）ARM状态：处理器执行32位的ARM指令集时，工作在这种状态。
（2）Thumb状态：处理器执行16位的thumb指令集时，工作在这种状态。
状态切换：通过跳转指令实现。

ARM的寄存器组织
37个寄存器：31个通用寄存器，包括程序计数器PC；
6个状态寄存器。
寄存器均为32位，分成7组，各工作模式拥有自己的寄存器组，只能访问自己的寄存器组。
有些寄存器是重叠的，有些是工作模式特有的。
在不同的工作模式和处理器状态下，程序员可以访问的寄存器不尽相同。

ARM状态各模式下的寄存器

ARM寄存器分类

ARM状态各模式下可以访问的寄存器

一般的通用寄存器

R0～R7通用寄存器

R8～R14通用寄存器

R8～R12的两个分组

R13、R14的6个分组

堆栈指针寄存器R13（SP）

链接寄存器R14（LR）

R14（LR）的作用
作用：保存返回地址
例如：
1.程序A执行过程中调用程序B；
2.程序跳转至标号Lable，执行程序B。同时硬件将“BL Lable”指令的下一条指令所在地址存入R14（LR）；
3.程序B执行最后，将R14寄存器的内容放入PC，返回程序A；

程序计数器R15（PC）

程序状态寄存器CPSR

Thumb寄存器在ARM寄存器上的映射

状态寄存器
CPSR：当前程序状态寄存器，可以在任何工作模式下被访问。
SPSR：程序状态保存寄存器，只有在异常模式下，才能被访问；各异常模式拥有自己的SPSR。发生异常时，SPSR保存CPSR的值，格式同CPSR。
状态标志：5个，N符号位，Z零标志，C进位，V溢出位，Q DSP运算溢出位。
控制标志：4个，I中断允许，F快速中断允许，T状态选择，M[4:0] 处理器工作模式

条件标志位

控制位

异常中断
异常中断：处理器由于外部或内部的原因，停止执行当前任务，转而处理特定的事件，处理完后返回原程序，继续执行。
当异常发生时，处理器首先自动保存当前状态，即返回地址存入寄存器R14，当前寄存器CPSR存入SPSR中，接着进入相应的工作模式，并执行特定地址的指令。
ARM共有7种类型的异常，不同类型的异常将导致处理器进入不同的工作模式，并执行不同特定地址的指令。

7种类型异常中断
复位：复位异常时，处理器立即停止当前程序，进入禁止中断的管理模式，并从地址0x00000000处开始执行。
未定义指令：当前指令未定义时，便产生未定义指令中断。
软件中断：用户模式下使用指令SWI时，处理器便产生软件中断，进入管理模式，以调用特权操作。
指令预取中止：预取指令的地址不存在，或不允许当前指令访问时，存储器会向处理器发出中止信号；预取指令被执行时才会产生该类异常。
数据访问中止：数据访问指令的地址不存在，或不允许当前指令访问时，产生数据中止异常。
外部中断请求：外部中断请求引脚有效，且CPSR中的I位为0时，产生IRQ异常。
快速中断请求：快速中断请求引脚有效，且CPSR中的F位为0时，产生FIQ异常。

异常向量

异常中断的优先级

复位
当nRESET信号由低变为高电平时，ARM处理器执行下列操作：
1.　强制CPSR中的M[4:0]变为b10011（管理模式）；
2.　置位CPSR中的I和F位；
3.　清零CPSR中的T位；
4.　强制PC从地址0x00开始对下一条指令进行取指；
5.　返回到ARM状态并恢复执行。

bootloader源代码外部中断处理实例
从0x00000000开始设置以下指令。
发生外部中断请求，处理器自动保存当前状态（PC→R14，CPSR→SPSR），进入外部中断模式，执行地址0x00000018处的指令。