详解ARM Cortex-A32处理器 打造超高能效嵌入式环境

ch32有许多与上述操作模式相对应的“分组”(banked)寄存器。一旦进入特定操作模式，这些寄存器就会取代对应的用户模式。这使异常处理的许多方面得到简化，但也意味着需要提高机器管理能力，并在初始化上花更大的功夫。

3.异常模式有显著差别，与最初的ARM架构设备一脉相承。具体来说，向量表是由一组可执行的指令组成，而不是地址，并且保存和恢复上下文的任务几乎完全由编程器承担。

4.还有一个重要差别是内存管理单元(Memory Management Unit ，MMU)，内存管理单元会编译核心提交的虚拟地址以及存储系统需要的物理地址。针对Linux一样的平台操作系统所使用的完整需求分页虚拟存储器环境，Cortex-A也可以提供支持。

ARMv7-M 与 AArch32 的不同之处

从基于Cortex-M处理器的系统迁移到基于Cortex-A32处理器的系统时，许多新特性也有必要了解。尽管这两种架构之间有许多相似之处(如寄存器组和指令集存在多种共性)，但仍然需要清楚一点，ARMv8-A架构在AArch32执行态下的许多特性是基于早期架构的。本节将详细介绍 AArch32的特性，这些特性在ARMv7-M中不具备，或者实现方式极其不同。

操作模式

如2图所示，ARMv7-M仅定义两种操作模式，线程模式与处理器模式。处理器模式可以设置为普通模式，也就是说，在不需要时，软件可以不启用该特性。处理器模式主要被用于处理异常情况，线性模式则用于用户进程。模式间的转化基本上是自动的，发生条件如图所示。如异常情况发生，处理器模式自动启用，异常处理完成后，处理器模式自动退出。SVCall指令是软件进入处理器模式的主要方法(将启动的IRQ设定为未决，可令处理器执行异常操作)。

图2： ARMv7-M操作模式

对比图3，图2显示的是AArch32执行态下支持的操作模式。基本的操作模式有七种，其中五种用于处理特定异常。如发生快速中断(Fast Interrupt，FIQ)异常，则会进入FIQ模式;如出现未定义指令，则进入Undef模式，诸如此类。

图3： AArch32操作模式

模式间的转换通常自动执行，但是如果在现程序状态寄存器(Current Program Status Register，CPSR)中写入模式字段，则可完全由软件控制进行模式转换，具体细节稍后再做说明。与SVCall指令类似，SVC指令可以支持软件处理SVC异常，并进入SVC模式。

AArch32还支持其他两种模式，但未在图中显示(仅为节省版面空间)。它们分别是Hyp模式(用于管理程序)和监控模式(用于TrustZone)。

寄存器组

图4及图5分别介绍了ARMv7-M 和 AArch32寄存器组。从图中可以看出，两种寄存器有许多相似之处，这是因为两者皆承袭了ARMv6及早期架构的共同特性。

多数指令可以访问13个通用寄存器(r0至r12)。两种架构下，r13预设为栈指针(SP)，r14预设为连接寄存器(LR)，r15预设为程序计数器(PC)。ARMv7-M架构下，访问专用寄存器受到严格限制;AArch32下，可以用与其他通用寄存器相同的方式访问这些寄存器;不过无需多言，擅自修改PC值可能会产生不良后果!

图4：ARMv7-M寄存器组 图5- AArch32寄存器组

ARMv7-M是一小组其他专用寄存器，包括PRIMASK、FAULTMASK、xPSR、CONTROL及BASEPRI，用于控制、配置处理器及处理异常情况。

指令集

如图5所示，AArch32还有一些与特定操作模式相关的寄存器。如进入对应的模式下，这些寄存器会与相应的用户模式切换。只有极少数特殊指令能够访问，并且还无法直接访问。这些数值随着模式变化被保存，以辅助异常处理。特别值得指出的是，每种异常模式都对应独立的栈指针，从而能够在单独堆栈上解决每个异常状况。这就让异常处理程序更可靠、防御性更强。异常出现后，相关模式的连接寄存器会被设定为异常返回地址。

每种异常模式都对应一个附加寄存器，即程序保护状态寄存器(SPSR)。程序保护状态寄存器用于出现异常时及时记录当前的程序状态寄存器数值以及LR，从而自动保存相关数据。另外，AArch32的图示中未显示Mon与Hyp模式。与其他模式一样，它们分别支持R13与R14分组寄存器。

Cortex-A架构下，有一个与ARM NEON SIMD指令集相关的独立寄存器组，包含32个128位宽寄存器。每个寄存器都可作为单字、双字或四倍字寻址，NEON指令集也支持依据字节或四倍字进行向量运算。

异常模型

上述两个架构的异常模型具有显著差异，但两者都支持因系统事件或外围中断引起的内部及外部异常。

ARMv7-M支持与传统微控制器上发现的异常更相近的模型，所有外部中断都通过含有处理器地址的向量表单独进行向量处理。

AArch32与早期ARM架构中的异常模型更相近，早期的ARM架构中仅有8种异常类型，向量也各不相同。向量表由可执