当前位置：首页 > news >正文

ARM的编程模型

news 2025/9/2 7:59:13

ARM 的编程模型指的是从程序员（特别是汇编程序员和编译器设计者）视角所看到的 ARM 处理器架构。它定义了程序员可以使用的资源、数据操作方式以及规则，主要包括：寄存器组、数据类型、内存访问方式、执行状态和异常处理。

这是一个结构化的总结，便于理解：

在这里插入图片描述

这是编程模型的核心，是 CPU 内部的高速存储单元，用于存放指令、数据和地址。

AArch32 (ARMv7 / ARMv8 AArch32 状态)

16个 32位通用寄存器：R0 - R12, R13, R14, R15。
- R0-R12：通用目的寄存器，用于数据操作。
- R13 / SP：堆栈指针 (Stack Pointer)，指向当前栈顶。
- R14 / LR：链接寄存器 (Link Register)，用于保存子程序或函数调用的返回地址。
- R15 / PC：程序计数器 (Program Counter)，指向下一条要执行的指令。
1个 32位程序状态寄存器：CPSR (Current Program Status Register)
- 条件标志位 (Condition Flags)：N (Negative), Z (Zero), C (Carry), V (oVerflow)。这些位会根据算术或逻辑运算的结果自动改变，用于条件分支判断。
- 中断禁用位：I (IRQ disable), F (FIQ disable)。
- 执行状态位：T (Thumb state bit)，J (Jazelle state bit)。
- 处理器模式位：指定当前处于哪种模式（User, FIQ, IRQ, etc.）。
Banked Registers：在不同处理器模式下（如 FIQ, IRQ, SVC），某些寄存器（如 R13, R14）有自己独立的副本。这避免了在处理异常时破坏用户模式的寄存器状态，实现了快速上下文切换。

AArch64 (ARMv8 64位状态)

31个 64位通用寄存器：X0 - X30。
- X0-X7：常用于参数传递和返回值。
- X8：间接结果寄存器。
- X9-X15：临时寄存器。
- X16-X17：内部过程调用临时寄存器。
- X18：平台保留寄存器。
- X19-X28：被调用者保存寄存器。
- X29：帧指针 (FP)。
- X30：链接寄存器 (LR)。
1个 64位堆栈指针 (SP)：专用寄存器，不再是通用寄存器之一。
1个 64位程序计数器 (PC)：无法被软件直接访问，只能通过特殊指令（如 BL）修改。
NZCV 寄存器：PSTATE（相当于 CPSR 的分布式视图）的一部分，独立保存条件标志位。

数据类型：
- 基本类型：字节 (8-bit)、半字 (16-bit)、字 (32-bit)、双字 (64-bit)。
- 浮点数：半精度 (16-bit)、单精度 (32-bit)、双精度 (64-bit)。
内存访问：
- 对齐访问：强烈建议字（4字节）访问在4字节对齐的地址上，双字在8字节对齐的地址上，否则可能影响性能或导致异常。
- 端序 (Endianness)：ARM 处理器通常为小端序 (Little-Endian)，但许多架构也支持可配置的端序或大端序（BE8）。

AArch64：64位执行状态。
- 提供 31 个 64 位通用寄存器。
- 使用异常级别 (EL0 - EL3) 来定义特权级别，替代了传统的处理器模式概念。
AArch32：32位执行状态，提供与 ARMv7-A 的兼容性。
- 运行传统的 ARM/Thumb 指令。
- 仍然使用传统的处理器模式（User, FIQ, IRQ, etc.）。

用户模式 (User)：非特权模式，运行应用程序。
特权模式：包括 FIQ, IRQ, Supervisor (SVC), Abort, Undefined 和 System 模式。用于运行操作系统和异常处理程序。

加载/存储架构 (Load/Store Architecture)：
- 这是 ARM 架构的一个基本原则。
- 数据处理指令（如 ADD, SUB）只能操作寄存器，不能直接操作内存中的数据。
- 必须使用专门的加载 (LDR) 指令将数据从内存读到寄存器，处理完后，再用存储 (STR) 指令将结果写回内存。
条件执行 (Conditional Execution)：
- ARM 指令集中的大多数指令都可以条件化执行。
- 通过在指令后添加条件码后缀（如 ADDEQ, BNE），指令仅在 CPSR 中的条件标志满足指定条件时才会执行。
- 这可以减少分支指令的数量，提高代码密度和性能。
桶式移位器 (Barrel Shifter)：
- 许多 ARM 数据处理指令（如 ADD, MOV）可以将一个操作数进行移位或循环移位后再参与运算，无需额外的时钟周期。
- 例如：MOV R1, R0, LSL #2 将 R0 的值左移2位（即乘以4）后存入 R1。
Thumb / Thumb-2 指令集：
- Thumb：16位指令集，代码密度高，用于节省内存空间。
- Thumb-2：混合了 16 位和 32 位指令，在保持高代码密度的同时，提供了接近 ARM 32 位指令集的性能。是现代 ARM Cortex-M 等嵌入式处理器的默认指令集。