ARM的工作模式和寄存器

ARM架构是构建每个ARM处理器的基础。

目前最新的是ARM v8架构：http://www.arm.com/zh/products/processors/instruction-set-architectures/armv8-architecture.php

ARMv8-A 将 64 位架构支持引入 ARM 架构中，其中包括：64 位通用寄存器、SP（堆栈指针）和 PC（程序计数器）64 位数据处理和扩展的虚拟寻址两种主要执行状态：AArch64 - 64 位执行状态，包括该状态的异常模型、内存模型、程序员模型和指令集支持AArch32 — 32 位执行状态，包括该状态的异常模型、内存模型、程序员模型和指令集支持这些执行状态支持三个主要指令集：A32（或 ARM）：32 位固定长度指令集，通过不同架构变体增强部分 32 位架构执行环境现在称为 AArch32。T32 (Thumb) 是以 16 位固定长度指令集的形式引入的，随后在引入 Thumb-2 技术时增强为 16 位和 32 位混合长度指令集。部分 32 位架构执行环境现在称为 AArch32。A64：提供与 ARM 和 Thumb 指令集类似功能的 32 位固定长度指令集。随 ARMv8-A 一起引入，它是一种 AArch64 指令集。 ARM ISA 不断改进，以满足前沿应用程序开发人员日益增长的要求，同时保留了必要的向后兼容性，以保护软件开发投资。在 ARMv8-A 中，对 A32 和 T32 进行了一些增补，以保持与 A64 指令集一致。

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ARM共有七种工作模式

1 用户模式(User):用于正常执行程序

2 系统模式(Sys)：运行具有特权的操作系统任务

3 快速中断模式(FIQ)：用于高速数据传输和通道处理

4 外部中断模式(IRQ)：用于通常的中断处理

5 管理模式(svc)：操作系统使用的保护模式

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

7 未定义指令终止模式(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（有待检验）

ARM的寄存器

ARM共有37个寄存器，其中31个通用寄存器和6个状态寄存器。这些寄存器不能被同时访问，但在每种工作模式下都可访问16个通用寄存器(R0~R15),和一个或两个状态寄存器(cpsr、spsr)。

31个通用寄存器可以分成三类：

1 未分组寄存器(R0~R7)

在每一种工作模式下未分组寄存器都指向同一个物理寄存器

2 分组寄存器(R8~R14)

对于分组寄存器，不同工作模式访问的物理寄存器不同。对于R8~R12而言，每个寄存器对应两个不同的物理寄存器，当处于快速中断模式时访问R8_fiq~R12_fiq，当处于非快速中断模式时访问R8_usr~R12_usr。

对于R13和R14寄存器来说，每个寄存器对应6个物理寄存器。其中一个是用户模式和系统模式共用，其他5个物理寄存器对应5个异常模式，并采用R13_ /R14_ 来区分。寄存器R13在ARM指令中常用作堆栈指针，用户也可以用其它寄存器作为堆栈指针，而在Thumb指令集中，某些指令强制要求R13作为堆栈指针。由于处理器的每种运行模式均有自己独立的物理寄存器R13，在用户应用程序的初始化部分，一般都要初始化每种模式下的R13，使其指向该运行模式的栈空间。这样，当程序的运行进入异常模式时，可以将需要保护的寄存器放入R13所指向的堆栈，而当程序从异常模式返回时，则从对应的堆栈中恢复，采用这种方式可以保证异常发生后程序的正常执行。寄存器R14称为链接寄存器(Link Register),当执行子程序调用指令(BL)时,R14可得到R15(程序计数器PC)的备份。在每一种运行模式下，都可用R14保存子程序的返回地址，当用BL或BLX指令调用子程序时，将PC的当前值给R14，执行完子程序后，又将R14的值回PC，即可完成子程序的调用返回。

3 程序计数器pc(R15)

寄存器R15用作程序计数器(PC),在ARM状态下,位[1:0]为0,位[31:2]用于保存PC,在Thumb状态下,位[0]为0,位[31:1]用于保存PC.由于ARM体系结构采用了多级流水线技术，对于ARM指令集而言，PC总是指向当前指令的下两条指令的地址,即PC的值为当前指令的地址值加8个字节。

6个状态寄存器：

寄存器R16用作CPSR(CurrentProgram Status Register，当前程序状态寄存器)，CPSR可在任何运行模式下被访问，它包括条件标志位、中断禁止位、当前处理器模式标志位，以及其他一些相关的控制和状态位。每一种运行模式下又都有一个专用的物理状态寄存器，称为SPSR(Saved Program Status Register，备份的程序状态寄存器)，当异常发生时，SPSR用于保存CPSR的当前值，从异常退出时则可由SPSR来恢复CPSR。由于用户模