ARM處理器架構處理器的工作狀態(tài)

從編程人員的視角來(lái)看,arm核是由數據總線(xiàn)連接的功能單元組成,如下圖所示:

數據通過(guò)數據總線(xiàn)流向處理器核心,這里的數據可以是將要執行的指令,也可以是數據項.上面的圖是Von Neumann體系的arm核,數據項和指令共用同一總線(xiàn).而哈佛結構體系的arm核就會(huì )用兩個(gè)不同的總線(xiàn).就像所有的RISC處理器,arm采用load-store體系結構.也就是說(shuō)它含有兩條不同的指令類(lèi)型來(lái)出入處理器.load指令將數據從內存拷貝到寄存器,store指令是將數據從寄存器拷貝到內存.沒(méi)有直接操作內存中數據的數據處理指令.數據的處理離不開(kāi)寄存器.

ARM指令一般有兩個(gè)源寄存器,Rn和Rm,和一個(gè)目的寄存器,Rd. ARM的一個(gè)重要特性是Rm可以在送入ALU之前被桶型移位器做預處理,這樣就會(huì )有很多形式的表達式和尋址方式. 后面再寫(xiě)博客記錄一下arm中的指令集。

下面介紹ARM處理器的幾個(gè)關(guān)鍵分量:寄存器,當前程序狀態(tài)寄存器和流水線(xiàn)

一、寄存器。

arm核一共有37個(gè)寄存器，有7種工作模式。其中在任一種工作模式下，可見(jiàn)的寄存器通常有18個(gè)（在user/system模式下可見(jiàn)的是17個(gè)）。另外，某幾個(gè)寄存器（sp、lr、spsr）在不同的模式下對應的是不同的寄存器，所以總數加起來(lái)共有37個(gè)。所有的寄存器都是32bit大小.

18個(gè)活動(dòng)的寄存器包括：16個(gè)數據寄存器和2個(gè)程序狀態(tài)寄存器.

（1）數據寄存器由r0--r15表示. 其中r0-r12是通用寄存器，r13-r15是三個(gè)特殊的寄存器。

r13通常用作棧指針(sp),存儲當前處理器工作模式下的棧頂;

r14被稱(chēng)作鏈接寄存器(lr),當發(fā)生函數調用時(shí)存放當前的pc指針，作為子程序的返回地址;

r15被稱(chēng)作程序計數器(pc),保存被處理器預取的下一條指令的地址.

這三個(gè)寄存器，在寫(xiě)匯編語(yǔ)句的時(shí)候都不用r13這種來(lái)表示，都是用sp、lr、pc來(lái)表示的。

（2）兩個(gè)程序狀態(tài)寄存器:cpsr和spsr. 處理器的當前工作模式?jīng)Q定了哪些寄存器是可見(jiàn)的.

cpsr:當前程序狀態(tài)寄存器。ARM核使用cpsr來(lái)顯示和控制內部的操作.通用程序狀態(tài)寄存器的內部如下:

cpsr分為四個(gè)域,每個(gè)域有8位的寬度:flags,status,extension和control.control域包含處理器模式和狀態(tài)以及中斷屏蔽位.flags域包含condition flags.處理器模式?jīng)Q定了當前哪些寄存器是可用的以及cpsr本身的訪(fǎng)問(wèn)權限.

當發(fā)生異常時(shí)，arm會(huì )自動(dòng)將cpsr保存到spsr寄存器中。

二、 處理器模式

處理器模式分為特權模式和非特權模式:特權模式對cpsr有完全的讀寫(xiě)控制.而非特權模式只能讀cpsr的control域但是仍可以讀寫(xiě)condition flags.一共有7種處理器模式:六種特權模式(abort,fiq,irq,svc,system和undefined)和一種非特權模式(user).

abort:當試圖訪(fǎng)問(wèn)內存失敗時(shí)處理器會(huì )進(jìn)入abort模式；

fiq和irq對應ARM處理器的兩種中斷級別, irq是普通的中斷模式，fiq是快速中斷模式。

svc是系統reset后進(jìn)入的默認模式,也是os kernel工作的模式；

system模式是user模式的特殊版本,它有對cpsr的讀寫(xiě)控制.

undefined模式在處理器遇到未定以的指令或者不支持的操作時(shí)使用.

user模式在應用程序下使用.

在不同的模式下，有不同的Banked registers。所謂的banked register 就是說(shuō) 這個(gè)寄存器是該模式所獨有的，不與其他模式共享。

除了user模式,其它模式都可以通過(guò)直接寫(xiě)cpsr的模式位來(lái)改變處理器模式.當然,在異?；蛘咧袛嗟絹?lái)時(shí),硬件會(huì )自動(dòng)切換模式.

下列異常和中斷會(huì )引起模式切換:reset,irq,fiq,swi,data abort,prefetch abort和undefined instruction.

三、cpsr寄存器。

下面接著(zhù)講cpsr寄存器。處理器模式對應的cpsr寄存器：

需要注意的是:通過(guò)直接寫(xiě)cpsr來(lái)改變模式的方法不會(huì )將cpsr拷貝到spsr.只有在異?；蛑袛喟l(fā)生時(shí)cpsr的值才會(huì )保存到spsr。

當ARM核上電時(shí),處于svc特權模式.從特權模式開(kāi)始是有用的:初始化代碼完全控制cpsr來(lái)建立其他模式的堆棧.

cpsr中的bit T是表明指令簇用的是ARM指令集還是thumb指令集.T為1表示thumb指令集,T為0表示ARM指令集.

ARM指令集和thumb指令集的特性:

中斷屏蔽位:中斷屏蔽位用來(lái)屏蔽處理器的特殊中斷請求.在A(yíng)RM核中有兩種級別的中斷請求:irq和fiq.

cpsr中的中斷屏蔽位是第7位和第6位(I和F),當I或F設為1時(shí)irq或fiq就被屏蔽了.

condtion flags:condition flags可以被比較操作和帶S后綴的ALU操作來(lái)更新.

四、異常 中斷和向量表

當異常發(fā)生時(shí),處理器會(huì )將pc指向一個(gè)特殊的內存地址.該地址所在的地址范圍稱(chēng)為向量表.向量表的入口是跳轉指令,跳轉到專(zhuān)門(mén)處理某個(gè)異?；蛑袛嗟淖映绦?

存儲器映射地址0x00000000是為向量表預留的.在某些處理器中向量表可以放在更高的地址,從0xffff0000開(kāi)始.linux等操作系統可以利用這個(gè)特性.

當異常發(fā)生時(shí),處理器掛起正常的處理然后從向量表中加載指令.每個(gè)向量表的入口都包含指向特殊處理例程的跳轉指令.

reset向量是處理器上電后執行的第一條指令,這條指令跳轉到初始化代碼處.

undefined instruction向量是當處理器不能對指令譯碼時(shí)使用的.

software interrupt向量執行SWI指令時(shí)使用的.SWI可以用來(lái)系統調用的實(shí)現.

prefetch abort向量發(fā)生在當沒(méi)有訪(fǎng)問(wèn)權限的條件下試圖獲取該地址的指令時(shí),異常發(fā)生在譯碼階段.

data abort向量與prefetch abort類(lèi)似,只不過(guò)是訪(fǎng)問(wèn)數據發(fā)生的異常.

interrupt request向量被外部硬件用來(lái)中斷處理器的正常執行.只有在cpsr的相應位為0時(shí)才能發(fā)生.

fast interrupt request向量與irq類(lèi)似,是為要求更短的中斷響應時(shí)間的硬件保留的.只有在cpsr的相應位為0時(shí)才能發(fā)生.

五、流水線(xiàn)

RISC處理器用流水線(xiàn)機制來(lái)執行指令.ARM流水線(xiàn)中的指令只有在完全通過(guò)執行階段才被處理.

上面這張圖標明了流水線(xiàn)的使用和程序計數器pc.在執行階段,pc總是指向該指令地址加上8字節.也就是說(shuō)pc總是指向當前指令的下下條指令.當用pc來(lái)計算

相對偏移量時(shí)這點(diǎn)是很重要的,并且它也是所有流水線(xiàn)的特征.

六、條件執行:

條件執行控制指令是否被ARM核執行.處理器會(huì )比較指令的條件屬性和cpsr中的condition flags,如果匹配,該指令執行;否則該指令被忽略.