ARM应用系统开发详解 第2章 ARM微处理器的编程模型

本章简介ARM微处理器编程模型的一些基本概念，包括工作状态切换、数据的存储格式、处理器异常等，通过对本章的阅读，希望读者能了解ARM微处理器的基本工作原理和一些与程序设计相关的基本技术细节，为以后的程序设计打下基础。

本章的主要内容：

－ ARM微处理器的工作状态

－ ARM体系结构的存储器格式

－ ARM微处理器的工作模式

－ ARM体系结构的寄存器组织

－ ARM微处理器的异常状态

在开始本章之前，首先对字（Word）、半字（Half-Word）、字节（Byte）的概念作一个说明：

字（Word）：在ARM体系结构中，字的长度为32位，而在8位/16位处理器体系结构中，字的长度一般为16位，请读者在阅读时注意区分。

半字（Half-Word）：在ARM体系结构中，半字的长度为16位，与8位/16位处理器体系结构中字的长度一致。

字节（Byte）：在ARM体系结构和8位/16位处理器体系结构中，字节的长度均为8位。

2.1 ARM微处理器的工作状态

从编程的角度看，ARM微处理器的工作状态一般有两种，并可在两种状态之间切换：

－ 第一种为ARM状态，此时处理器执行32位的字对齐的ARM指令；

－ 第二种为Thumb状态，此时处理器执行16位的、半字对齐的Thumb指令。

当ARM微处理器执行32位的ARM指令集时，工作在ARM状态；当ARM微处理器执行16位的Thumb指令集时，工作在Thumb状态。在程序的执行过程中，微处理器可以随时在两种工作状态之间切换，并且，处理器工作状态的转变并不影响处理器的工作模式和相应寄存器中的内容。

状态切换方法：

ARM指令集和Thumb指令集均有切换处理器状态的指令，并可在两种工作状态之间切换，但ARM微处理器在开始执行代码时，应该处于ARM状态。

进入Thumb状态：当操作数寄存器的状态位（位0）为1时，可以采用执行BX指令的方法，使微处理器从ARM状态切换到Thumb状态。此外，当处理器处于Thumb状态时发生异常（如IRQ、FIQ、Undef、Abort、SWI等），则异常处理返回时，自动切换到Thumb状态。

进入ARM状态：当操作数寄存器的状态位为0时，执行BX指令时可以使微处理器从Thumb状态切换到ARM状态。此外，在处理器进行异常处理时，把PC指针放入异常模式链接寄存器中，并从异常向量地址开始执行程序，也可以使处理器切换到ARM状态。[异常处理的时候]

2.2 ARM体系结构的存储器格式

ARM体系结构将存储器看作是从零地址开始的字节的线性组合。从零字节到三字节放置第一个存储的字数据，从第四个字节到第七个字节放置第二个存储的字数据，依次排列。作为32位的微处理器，ARM体系结构所支持的最大寻址空间为4GB（232字节）。

ARM体系结构可以用两种方法存储字数据，称之为大端格式和小端格式，具体说明如下：

大端格式：

在这种格式中，字数据的高字节存储在低地址中，而字数据的低字节则存放在高地址中，如图2.1所示：

小端格式：

与大端存储格式相反，在小端存储格式中，低地址中存放的是字数据的低字节，高地址存放的是字数据的高字节。如图2.2所示：

2.3指令长度及数据类型

ARM微处理器的指令长度可以是32位（在ARM状态下），也可以为16位（在Thumb状态下）。

ARM微处理器中支持字节（8位）、半字（16位）、字（32位）三种数据类型，其中，字需要4字节对齐（地址的低两位为0）、半字需要2字节对齐（地址的最低位为0）。

2.4处理器模式

ARM微处理器支持7种运行模式，分别为：

─用户模式（usr）： ARM处理器正常的程序执行状态

─快速中断模式（fiq）：用于高速数据传输或通道处理

─外部中断模式（irq）：用于通用的中断处理

─管理模式（svc）：操作系统使用的保护模式

─数据访问终止模式(abt)： 当数据或指令预取终止时进入该模式，可用于虚拟存储及存储保护。

─系统模式（sys）：运行具有特权的操作系统任务。

─未定义指令中止模式（und）：当未定义的指令执行时进入该模式，可用于支持硬件协处理器的软件仿真。

ARM微处理器的运行模式可以通过软件改变，也可以通过外部中断或异常处理改变。

大多数的应用程序运行在用户模式下，当处理器运行在用户模式下时，某些被保护的系统资源是不能被访问的。

除用户模式以外，其余的所有6种模式称之为非用户模式，或特权模式（Privileged Modes）；其中除去用户模式和系统模式以外的5种又称为异常模式（Exception Modes），常用于处理中断或异常，以及需要访问受保护的系统资源等情况。

2.5寄存器组织

ARM微处理器共有37个32位寄存器，其中31个为通用寄存器，6个为状态寄存器。但是这些寄存器不能被同时访问，具体哪些寄存器是可编程访问的，取决微处理器的工作状态及具体的运行模式。