3.1 ARM体系结构

1、ARM的结构特征

（1）Load/Store体系结构，CPU只处理寄存器中的数据

（2）固定的32位指令

（3）三地址指令格式

程序计数器（Program Counter，PC）来存放指令地址。通常每执行一条指令，PC就自动加1，直接得到下一条指令的地址，这样指令中就无须明显的给出下一条指令地址。三地址格式指令：

OP

A1

A2

A3

(A1) OP (A2) -> A3，OP表示具体的操作，A1、A2表示地址，(A1)、(A2)表示存放在该地址的值。

执行一条三地址的双操作数至少需要访问四次主存，第一次取指令，第二次取第一个操作数，第三次取第二个操作数，第四次保存运算结果。

2、ARM指令集介绍

指令的后缀

（1）S：表示可选后缀，若指定S，则根据指令执行的结果更新CPSR中的条件码，会影响ARM程序状态寄存器的条件码标志（N，Z，C，V）。

N：运算结果的最高位反映在该标志位，对于有符号二进制补码，结果为负数时N=1，结果为正数时N=0。

Z：指令结果为0时Z=1（表示结果相等），反之则Z=0。

C：当进行加法运算（包括CMN指令），并且最高位产生进位时C=1，否则C=0；当进行减法运算（包括CMP指令），并且最高位产生借位时C=0，否则C=1；对于结合移位的非加法或减法指令，C为从最高位最后移出的值；其它指令C通常不变。

V：当进行加法/减法运算，并且发生有符号溢出时V=1，否则V=0，其它指令V通常不变。

（2）"!"：表示在完成数据操作以后，将更新基址寄存器，并且不消耗额外的时间。

LDR    R0, [R1, #4]    ;相当于R0 <- mem[R1+4] R1 = R1 + 4

（3）"^"：表示一条特殊形式的指令，在从存储器中装入PC的同时，CPSR也得到恢复。

（4）ARM指令集对数据格式的几个定义：

#号后面加0x或&，表示十六进制

#号后面加0b，表示二进制

#号后面加0d，表示十进制

3、ARM处理器的7种工作模式

（1）用户模式（USR）：程序正常工作模式

（2）系统模式（SYS）：用于运行特权级的操作系统任务

用户模式与系统模式两者使用相同的寄存器，都没有SPSR（Saved Program Statement Register，已保存程序状态寄存器），但系统模式比用户模式有更高的权限，可以访问所有系统资源。

（3）快速中断模式（FIQ）：用于高速数据传输和处理

（4）外部中断模式（IRQ）：用于处理外部设备中断

（5）特权模式（SVC）：操作系统保护模式，系统复位和软件中断响应进入该模式

（6）数据访问终止模式（ABT）：虚拟存储或存储器保护

（7）未定义指令终止模式（UND）：用于处理通过软件仿真硬件协处理器

工作模式	特权模式	异常模式
用户模式
系统模式	该组模式下可以任意访问系统资源
快速中断模式		通常由系统异常状态切换进该组模式
外部中断模式
特权模式
数据访问终止模式
未定义指令终止模式

4、ARM寄存器

ARM处理器有31个通用寄存器和6个状态寄存器。寄存器按照处理器工作模式划分，有些寄存器被限定在特定模式下访问，有些寄存器可以在任意模式访问。通用寄存器R0~R14、程序计数器PC，以及特定的两个状态寄存器在任何处理模式下都可以访问。

ABORT	USR/SYS	FIQ	IRQ	SVC	UND
R0	R0	R0	R0	R0	R0
R1	R1	R1	R1	R1	R1
R2	R2	R2	R2	R2	R2
R3	R3	R3	R3	R3	R3
R4	R4	R4	R4	R4	R4
R5	R5	R5	R5	R5	R5
R6	R6	R6	R6	R6	R6
R7	R7	R7	R7	R7	R7
R8	R8	R8	R8	R8	R8
R9	R9	R9	R9	R9	R9
R10	R10	R10	R10	R10	R10
R11	R11	R11	R11	R11	R11
R12	R12	R12	R12	R12	R12
R13(sp)	R13(sp)	R13(sp)	R13(sp)	R13(sp)	R13(sp)
R14(lr)	R14(lr)	R14(lr)	R14(lr)	R14(lr)	R14(lr)
R15(cp)	R15(cp)	R15(cp)	R15(cp)	R15(cp)	R15(cp)
CPSR	CPSR	CPSR	CPSR	CPSR	CPSR
SPSR		SPSR	SPSR	SPSR	SPSR

R13：常作为堆栈指针，处理器的每种模式都有自己的物理寄存器R13，所以在用户应用程序初始化时，都要初始化每种模式的R13，使其指向该运行模式的栈空间，当程序进入异常模式时，可将需要保护的寄存器放入R13所指向的堆栈，当程序从异常模式返回时，则从对应的堆栈中恢复。

R14：子程序链接寄存器（Subroutine Link Register）或链接寄存器（LinkRegister），当子程序调用指令（BL指令）时，R14中得到R15（程序计数器PC的备份），执行完子程序后，又将R14的值复制到R15中，即可完成程序的调用。

R16：CPSR（Current Program Status Register，当前程序状态寄存器）。CPSR可以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。

31				27			24																	7	6	5	4				0
N	Z	C	V	Q			J	undefine																I	F	T	mode

SPSR（Saved Program Status Register，备份的程序状态寄存器）：SPSR寄存器在处理器进入某种异常模式的时候保存之前的CPSR寄存器的值，用于异常处理后恢复CPSR状态。