ARM處理器的2種工作狀態(tài)和7種工作模式及37個(gè)寄存器介紹

在安卓支持三類處理器ARM、Intel和MIPS里面，ARM無疑被使用得最為廣泛。那么ARM處理器到底是怎樣工作的呢？本文主要跟大家來詳細(xì)的介紹ARM處理器的兩種工作狀態(tài)和七種工作模式，最后奉上ARM處理器37個(gè)寄存器的詳細(xì)介紹。

1、ARM狀態(tài)：32位，ARM狀態(tài)執(zhí)行字對(duì)齊的32位ARM指令。

2、Thumb狀態(tài)，16位，執(zhí)行半字對(duì)齊的16位指令。

3、用Bx Rn指令來進(jìn)行兩種狀態(tài)的切換：

其中Bx是跳轉(zhuǎn)指令，而Rn是寄存器（1個(gè)字，32位），如果Rn的位0為1，則進(jìn)入Thumb狀態(tài)；如果Rn的位為0，這進(jìn)入ARM狀態(tài)。（原 因：ARM指令的后兩位始終為0，沒有用，而Thumb指令的后一位始終為0，沒有用，因此采用位0來表示ARM指令與Thumb指令的切換標(biāo)志位。）

注：1、ARM和Thumb兩種狀態(tài)之間的切換不影響處理器的工作模式和寄存器的內(nèi)容。

2、ARM處理器在處理異常時(shí)，不管處理器處于什么狀態(tài)，則都將切換到ARM狀態(tài)。

另外：ARM的M系列主要用Thumb指令，ARM9和A系列主要用ARM指令

S3C2440.S啟動(dòng)代碼中根本就沒用Thumb指令

CPU的模式可以簡(jiǎn)單的理解為當(dāng)前CPU的工作狀態(tài)，比如：當(dāng)前操作系統(tǒng)正在執(zhí)行用戶程序，那么當(dāng)前CPU工作在用戶模式，這時(shí)網(wǎng)卡上有數(shù)據(jù)到達(dá)，產(chǎn)生中斷信號(hào)，CPU自動(dòng)切換到一般中斷模式下處理網(wǎng)卡數(shù)據(jù)（普通應(yīng)用程序沒有權(quán)限直接訪問硬件），處理完網(wǎng)卡數(shù)據(jù)，返回到用戶模式下繼續(xù)執(zhí)行用戶程序。

特權(quán)模式

除用戶模式外，其它模式均為特權(quán)模式（Privileged Modes）。ARM 內(nèi)部寄存器 和一些 片內(nèi)外設(shè) 在硬件設(shè)計(jì)上只允許（或者可選為只允許）特權(quán)模式下訪問。此外，特權(quán)模式可以自由的切換處理器模式，而用戶模式不能直接切換到別的模式。

異常模式

特權(quán)模式中除系統(tǒng)（system）模式之外的其他5種模式又統(tǒng)稱為異常模式。它們除了可以通過在特權(quán)下的程序切換進(jìn)入外，也可以由特定的異常進(jìn)入。比如硬件產(chǎn)生中斷信號(hào)進(jìn)入中斷異常模式，讀取沒有權(quán)限數(shù)據(jù)進(jìn)入中止異常模式，執(zhí)行未定義指令時(shí)進(jìn)入未定義指令中止異常模式。其中管理模式也稱為超級(jí)用戶模式，是為操作系統(tǒng)提供軟中斷的特有模式，正是由于有了軟中斷，用戶程序才可以通過系統(tǒng)調(diào)用切換到管理模式。

（1）用戶模式：

用戶模式是用戶程序的工作模式，它運(yùn)行在操作系統(tǒng)的用戶態(tài)，它沒有權(quán)限去操作其它硬件資源，只能執(zhí)行處理自己的數(shù)據(jù)，也不能切換到其它模式下，要想訪問硬件資源或切換到其它模式只能通過軟中斷或產(chǎn)生異常。

（2）系統(tǒng)模式：

系統(tǒng)模式是特權(quán)模式，不受用戶模式的限制。用戶模式和系統(tǒng)模式共用一套寄存器，操作系統(tǒng)在該模式下可以方便的訪問用戶模式的寄存器，而且操作系統(tǒng)的一些特權(quán)任務(wù)可以使用這個(gè)模式訪問一些受控的資源。

說明：用戶模式與系統(tǒng)模式兩者使用相同的寄存器，都沒有SPSR（Saved Program Statement Register，已保存程序狀態(tài)寄存器），但系統(tǒng)模式比用戶模式有更高的權(quán)限，可以訪問所有系統(tǒng)資源。

（3）一般中斷模式：

一般中斷模式也叫普通中斷模式，用于處理一般的中斷請(qǐng)求，通常在硬件產(chǎn)生中斷信號(hào)之后自動(dòng)進(jìn)入該模式，該模式為特權(quán)模式，可以自由訪問系統(tǒng)硬件資源。

（4）快速中斷模式：

快速中斷模式是相對(duì)一般中斷模式而言的，它是用來處理對(duì)時(shí)間要求比較緊急的中斷請(qǐng)求，主要用于高速數(shù)據(jù)傳輸及通道處理中。

（5）管理模式（Supervisor，SVC） ：

管理模式是CPU上電后默認(rèn)模式，因此在該模式下主要用來做系統(tǒng)的初始化，軟中斷處理也在該模式下。當(dāng)用戶模式下的用戶程序請(qǐng)求使用硬件資源時(shí)，通過軟件中斷進(jìn)入該模式。

說明：系統(tǒng)復(fù)位或開機(jī)、軟中斷時(shí)進(jìn)入到SVC模式下。

（6）終止模式：

中止模式用于支持虛擬內(nèi)存或存儲(chǔ)器保護(hù)，當(dāng)用戶程序訪問非法地址，沒有權(quán)限讀取的內(nèi)存地址時(shí)，會(huì)進(jìn)入該模式，linux下編程時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)的segment fault通常都是在該模式下拋出返回的。

（7）未定義模式：

未定義模式用于支持硬件協(xié)處理器的軟件仿真，CPU在指令的譯碼階段不能識(shí)別該指令操作時(shí)，會(huì)進(jìn)入未定義模式。

ARM微處理器共有37個(gè)32位寄存器，其中31個(gè)為通用寄存器，6個(gè)為狀態(tài)寄存器。但是這些寄存器不能被同時(shí)訪問，具體哪些寄存器是可以訪問的，取決ARM處理器的工作狀態(tài)及具體的運(yùn)行模式。但在任何時(shí)候，通用寄存器R14~R0、程序計(jì)數(shù)器PC、一個(gè)狀態(tài)寄存器都是可訪問的。

下面這幅圖就是ARM中的37 個(gè)寄存器

下面這幅圖是 7種工作模式下每個(gè)模式下的寄存器列表：

ARM狀態(tài)下的通用寄存器與程序計(jì)數(shù)器

ARM狀態(tài)下的程序寄存器

通用寄存器

通用寄存器

1、不分組寄存器（R0-R7）

2、分組寄存器（R8-R14）

程序計(jì)數(shù)器R15（PC）

不分組通用寄存器

R0-R7是不分組寄存器。這意味著在所有處理器模式下，訪問的都是同一個(gè)物理寄存器。不分組寄存器沒有被系統(tǒng)用于特別的用途，任何可采用通用寄存器的應(yīng)用場(chǎng)合都可以使用未分組寄存器。

分組寄存器R8-R12

1、FIQ模式分組寄存器R8-R12

2、FIQ以外的分組寄存器R8-R12

分組寄存器R13、R14

1、寄存器R13通常做堆棧指針SP

2、寄存器R14用作子程序鏈接寄存器（Link Register-LR），也稱為L(zhǎng)R，指向函數(shù)的返回地址。

程序計(jì)數(shù)器

寄存器R15被用作程序計(jì)數(shù)器，也稱為PC。其值等于當(dāng)前正在執(zhí)行的指令的地址+8（因?yàn)樵谌〉刂泛蛨?zhí)行之間多了一個(gè)譯碼的階段）。

狀態(tài)寄存器