原创 [转]ARM基础知识连载

ARM处理器共有37个寄存器。其中包括：

**31个通用寄存器,包括程序计数器（PC）在内。这些寄存器都是32位寄存器。

**6个状态寄存器。这些寄存器都是32位寄存器。

ARM处理器共有7种不同的处理器模式,每一种模式中都有一组相应的寄存器组。在任何时刻,可见的寄存器包括15个通用寄存器（R0-R14）,一个或两个状态寄存器及程序计数器（PC）。在所有的寄存器中,有些是各模式公用一个物理寄存器,有一些寄存器各模式拥有自己独立的物理寄存器。

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通用寄存器

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通用寄存器分为以下三类：备份寄存器、未备份寄存器、程序计数器PC

未备份寄存器

未备份寄存器包括R0-R7。对于每一个未备份寄存器来说,所有处理器模式下都是使用同一个物理寄存器。未备份寄存器没有被系统用于特别的用途,任何可采用通用寄存器的场合都可以使用未备份寄存器。

备份寄存器

对于R8-R12备份寄存器来说,每个寄存器对应两个不同的物理寄存器。系统为将备份寄存器用于任何的特殊用途,但是当中断处理非常简单,仅仅使用R8-R14寄存器时,FIQ处理程序可以不必执行保存和恢复中断现场的指令,从而可以使中断处理非常迅速。

对于R13,R14备份寄存器来说,每个寄存器对应六个不同的物理寄存器,其中的一个是系统模式和用户模式共用的;另外的五个对应于其他的五种处理器模式。采用下面的记号来区分各个物理寄存器：

                 R13_<MODE>

其中MODE可以是下面几种模式之一：usr,svc,abt,und,irq,fiq

程序计数器PC

可以作为一般的通用寄存器使用,但有一些指令在使用R15时有一些限制。由于ARM采用了流水线处理器机制,当正确读取了PC的值时,该值为当前指令地址值加上8个字节。也就是说,对于ARM指令集来说,PC指向当前指令的下两条指令的地址。由于ARM指令是字对齐的,PC值的第0位和第一位总为0。

需要注意的是,当使用str/stm保存R15时,保存的可能是当前指令地址值加8个字节,也可能保存的是当前指令地址值加12个字节。到底哪种方式取决于芯片的具体设计。对于用户来说,尽量避免使用STR/STM指令来保存R15的值。
当成功的向R15写入一个数值时,程序将跳转到该地址执行。由于ARM指令是字对齐的,写入R15的值应满足bits[1:0]为0b00,具体要求arm个版本有所不同：
**对于arm3以及更低的版本,写入R15的地址值bits[1:0]被忽略,即写入r15的地址值将与0xFFFF FFFC做与操作。
**对于ARM4以及更高的版本,程序必须保证写入R15的地址值bits[1:0]为0b00,否则将产生不可预知的后果。
对于Thumb指令集来说,指令是班子对齐的,处理器将忽略bit[0]。

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程序状态寄存器

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CPSR(当前程序状态寄存器)在任何处理器模式下被访问。它包含了条件标志位、中断禁止位、当前处理器模式标志以及其他的一些控制和状态位。每一种处理器

模式下都有一个专用的物理状态寄存器,称为SPSR（备份程序状态寄存器）
。当特定的异常中断发生时,这个寄存器用于存放当前程序状态寄存器的内容。在异常中断退出时,可以用SPSR来恢复CPSR。由于用户模式和系统模式不是异常

中断模式,所以他没有SPSR。当用户在用户模式或系统模式访问SPSR,将产生不可预知的后果。
CPSR格式如下所示。SPSR和CPSR格式相同。

 31  30  29  28  27           26           7  6  5  4  3  2  1  0
 N   Z   C   V   Q          DNM(RAZ)       I  F  T  M4 M3 M2 M1 M0

***条件标志位***
N——本位设置成当前指令运算结果的bit[31]的值。当两个表示的有符号整数运算时,n=1表示运算结果为负数,n=0表示结果为正书或零。

z——z=1表示运算的结果为零;z=0表示运算的结果不为零。对于CMP指令,Z=1表示进行比较的两个数大小相等。

C——下面分四种情况讨论C的设置方法：
 在加法指令中（包括比较指令CMP）,当结果产生了进位,则C=1,表示无符号运算发生上溢出;其他情况C=0。
 在减法指令中（包括减法指令CMP）,当运算中发生错位,则C=0,表示无符号运算数发生下溢出;其他情况下C=1。
 对于包含移位操作的非加碱运算指令,C中包含最后一次溢出的的位的数值
 对于其他非加减运算指令,C位的值通常不受影响
V——对于加减运算指令,当操作数和运算结果为二进制的补码表示的带符号数时,V=1表示符号为溢出;通常其他指令不影响V位。

***Q标识位***
在ARM V5的E系列处理器中,CPSR的bit[27]称为q标识位,主要用于指示增强的dsp指令是否发生了溢出。同样的spsr的bit[27]位也称为q标识位,用于在异常中

断发生时保存和恢复CPSR中的Q标识位。
在ARM V5以前的版本及ARM V5的非E系列的处理器中,Q标识位没有被定义。

***CPSR中的控制位***

CPSR的低八位I、F、T、M[4:0]统称为控制位。当异常中断发生时这些位发生变化。在特权级的处理器模式下,软件可以修改这些控制位。

**中断禁止位：当I=1时禁止IRQ中断,当F=1时禁止FIQ中断

**T控制位：T控制位用于控制指令执行的状态,即说明本指令是ARM指令还是Thumb指令。对于ARM V4以更高版本的T系列ARM处理器,T控制位含义如下：
 T=0表示执行ARM指令
 T=1表示执行Thumb指令
对于ARM V5以及更高版本的非T系列处理器,T控制位的含义如下
 T=0表示执行ARM指令
 T=1表示强制下一条执行的指令产生未定指令中断

***M控制位***
M控制位控制处理器模式,具体含义如下：

 M[4:0]       处理器模式      可访问的寄存器
 ob10000  user                  pc,r14~r0,CPSR
 0b10001  FIQ                   PC,R14_FIQ-R8_FIQ,R7~R0,CPSR,SPSR_FIQ
 0b10010  IRQ                   PC,R14_IRQ-R13_IRQ,R12~R0,CPSR,SPSR_IRQ
 0B10011  SUPERVISOR     PC,R14_SVC-R13_SVC,R12~R0,CPSR,SPSR_SVC
 0b10111  ABORT             PC,R14_ABT-R13_ABT,R12~R0,CPSR,SPSR_ABT
 0b11011  UNDEFINEED     PC,R14_UND-R8_UND,R12~R0,CPSR,SPSR_UND
 0b11111  SYSTEM           PC,R14-R0,CPSR(ARM V4以及更高版本）

***CPSR中的其他位***

这些位用于将来扩展。应用软件不要操作这些位。

在ARM体系中通常有以下3种方式控制程序的执行流程：

**在正常执行过程中,每执行一条ARM指令,程序计数器(PC)的值加4个字节;每执行一条Thumb指令,程序计数器寄存器(PC)加2个字节。整个过程是按顺序执行

。

**跳转指令,程序可以跳转到特定的地址标号处执行,或者跳转到特定的子程序处执行。其中,B指令用于执行跳转操作;BL指令在执行跳转操作同时,保存子程

序的返回地址;BX指令在执行跳转操作同时,根据目标地址为可以将程序切换到Thumb状态;BLX指令执行3个操作,跳转到目标地址处执行,保存子程序的返回

地址,根据目标地址为可以将程序切换到Thumb状态。

**当异常中断发生时,系统执行完当前指令后,将跳转到相应的异常中断处理程序处执行。当异常中断处理程序执行完成后,程序返回到发生中断指令的下条指

令处执行。在进入异常中断处理程序时,要保存被中断程序的执行现场,从异常中断处理程序退出时,要恢复被中断程序的执行现场。

在应用程序中安装异常中断处理程序
1.使用跳转指令：可以在异常中断对应异常向量表中特定位置放置一条跳转指令,直接跳转到该异常中断的处理程序。这种方法有一个缺点,即只能在32M空间范围内跳转。
2.使用数据读取指令LDR：使用数据读取指令LDR向程序计数器PC中直接赋值。这种方法分为两步：先将异常中断处理程序的绝对地址存放在存放在距离向量表4KB范围内的一个存储单元中;再使用数据读取指令LDR将该单元的内容读取到程序计数器PC中。

**在系统复位时安装异常中断处理程序**
1.地址0x00处为ROM的情况
  使用数据读取指令LDR示例如下所示：
  Vector_Init_Block
  LDR PC, Reset_Addr
  LDR PC, Undefined_Addr
  LDR PC, SW_Addr
  LDR PC, Prefeth_Addr
  LDR PC, Abort_Addr
  NOP
  LDR PC, IRQ_Addr
  LDR PC, FIQ_Addr

  Reset_Addr  DCD Start_Boot
  Undefined_Addr DCD Undefined_Handle
  SW_Addr  DCD SWI_Handle
  Prefeth_Addr  DCD Prefeth_Handle
  Abort_Addr  DCD Abort_Handle
   DCD 0
  IRQ_Addr  DCD IRQ_Handle
  FIQ_Addr  DCD FIQ_Handle
使用跳转指令的示例如下所示：
  Vector_Init_Block
  BL Reset_Handle
  BL DCD Undefined_Handle
  BL SWI_Handle
  BL Prefeth_Handle
  BL Abort_Handle
  NOP
  BL IRQ_Handle
  BL FIQ_Handle
2.地址0x00处为RAM的情况
地址0x00处为RAM时,中断向量表必须使用数据读取指令直接指向PC中赋值的形式。而且,必须使用下面的代码巴中断向量表从ROM中复制到RAM中地址0x00开始处的存储空间中：
 
 MOV r8,#0
 ADR r9,Vector_Init_Block
 ;复制中断向量表（8字）
 LDMIA r9!,(r0-r7)
 STMIA r8!,(r0-r7)
 ;复制保存各中断处理函数地址的表（8字words）
 LDMIA r9!,(r0-r7)
 STMIA r8!,(r0-r7)

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ARM编译器支持的数据类型

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数据类型 长度（位） 对齐特性
Char       8                1(字节对齐)
short      16               2(百字对齐)
Int           32              4(字对齐)
Long      32               4(字对齐)
Longlong 64            4(字对齐)
Float       32              4(字对齐)
Double     64               4(字对齐)
Long double 64           4(字对齐)
All pointers 32             4(字对齐)
Bool(C++ only) 32           4(字对齐)

1.整数类型
在ARM体系中,整数类型是以2的补码形式存储的。对于long long类型来说,在little endian内存模式下,其低32位保存在低地址的字单元中,高32为保存在高地址的字单元中;在big endian模式下,其低32位保存在高地址的字单元中,高32为保存在低地址的字单元中。对于整型数据的操作遵守下面的规则：
**所有带符号的整型书的运算是按照二进制的补码进行的。
**带符号的整型数的运算不进行符号的扩展。
**带符号的整型数的右移操作是算数移位。
**制定的移位位数的数是8位的无符号数。
**进行移位操作的数被作为32位数。
**超过31位的逻辑左移的结果为0。
**对于无符号数和有符号的正数来说,超过32位的右移操作结果为0;对于有符号的负数来说,超过32位的右移操作结果为-1。
**整数除法运算的余数和除数有相同的符号。
**当把一个整数截断成位数更短的整数类型的数时,并不能保证所得到的结果的最高位的符号位的正确性。
**整型数据之间的类型转换不会产生异常中断。
**整型数据的溢出不会产生异常中断。
**整型数据除以0将会产生异常中断。
2.浮点数
在ARM体系中,浮点数是按照IEEE标准存储的。
**float类型的数是按照IEEE的单精度数表示的。
**double和long double 是用IEEE的双精度数表示的。
对于浮点数的操作遵守下面的规则：
**遵守正常的IEEE754规则。
**当默认情况下禁止浮点数运算异常中断。
**当发生卷绕时,用最接近的数据来表示。
3.指针类型的数据
下面的规则适用于处数据成员指针以外的其他指针：
**NULL被定义为0。
**相邻的两个存储单元地址相差一。
**在指向函数的指针和指向数据的指针进行数据转换时,编译器将会产生警告信息。
**类型size_t被定义为unsigned int.
**类型ptrdiff_t被定义为signed int。
**两个指针类型的数据相减时,结果可以按照下面的公式得到。
    ((int)a-(int)b)/(int)sizeof(type pointed to)
这时,只要指针所指的对象不是pack的,其对齐特性能够满足整除的要求。

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ARM编译器中预定义的宏

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ARM编译器预定义了一些宏,这些预定义宏对应一定的数值,有些预定义宏没有对应数值,见下表：

_arm                                  _                使用编译器armcc,tcc,armcpp,tcpp时

_ARMCC_VERSION      Ver             代表编译器版本号,其格式为：
                                                            PVtbbb,其中：
                                                            P为产品编号（1代表ADS）
                                                            V为副版本号（1代表1.1）
                                                            T为补丁版本号（0代表1.1）
                                                            bbb为build号（比如650）

_APCS_INTERWORK     _               使用编译选项-apcs/interwork时

_APCS_ROPI                   _               使用编译选项apcs/ropi时

_RWPI                              _               使用编译选项-apcs/rwpi时

_APCS_SWST                 _               使用编译选项-apcs/swst时

_BIG_ENDIAN                _               编译器针对目标系统使用big-endian内存模式时

_cplusplus                          _               编译器工作与C++模式时

_CC_ARM                       _               返回编译器的名称

_DATE_                          date            编译源文件的日期

_embedded_cplusplus                        编译器工作于EC++模式时

_FEATURE_SINGED_CHAE          使用编译设置选项-zc时设置该预定义宏

_FILE_                           name            包含全路径的当前被编译的源文件名称

_func_                             name            当前被编译的函数名称

_LINE_                          num             当前被编译的代码行号名称

_MOUDLE_                  mod             预定义宏_FILE_的文件名称部分

_OPTIMISE_SPACE     _                使用编译选项-OSPACE时

_OPTIMISE_TIME        _               使用编译选项-Otime时

_pretty_func                   name            unmangled的当前函数名称

_sizeof_int                     4               sizeof(int),在预处理表达式中可以使用

_sizeof_long                  4               sizeof(long),在预处理表达式中可以使用

_sizeof_ptr                   4               sizeof(void*)在预处理表达式中可以使用

_SOFTFP                   _               编译时使用浮点数

_                                 _               在各种编译器模式下

_STDC_VERSION           _               标准的版本信息

_STRICT_ANSI_             _                使用编译选项-STRICT时

_TARGET_ARCH_xx      _               xx代表ARM体系编号

_TARGET_CPU_xx         _               xx代表CPU编号

_TARGET_FEATURE_                    当ARM体系支持指令    PLD,LDRD,STRD,MCRR,MRRC时
DOUBLEWORD             _               设置该定义宏

_TARGET_FEATURE_                    当系统中包含DSP乘法处理器时,设置该
DSPMUL                         _                预定义宏

_TARGET_FEATURE_                    如果目标ARM体系支持半字访问以及有符号的字节数据
HALFWORD                    _                ,设置该预定义宏

_TARGET_FEATURE_                    如果目标ARM体系支持长乘法指令MULL和
MULTIPLY                     _               MUAL,设置该预定义宏

_TARGET_FEATURE_                    如果目标ARM体系支持THUMB指令
THUMB                           _              

_TARGET_FPU_xx      _               表示FPU选项,可能取值如下所示：
                                    _TARGET_FPU_VFP
                                    _TARGET_FPU_FPA
                                    _TARGET_FPU_SOFTVFP
                                    _TARGET_FPU_SOFTVFP_VFP
                                    _TARGET_FPU_SOFTFPA
                                    _TARGET_FPU_NONE

_thumb            _                编译器为tcc或tcpp时,设置该预定义宏

_TIME                              源文件编译时间

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ARM映像文件——2

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3输入段的排序规则
连接器根据输入段的属性来组织这些输入段,具有相同属性的输入段被放到域中一段连续的空间中,组成一个输出段。在一个输出段中,各输入段的起始地址与

输出段的起始地址和该输出段中个输入段的排列顺序有关。
通常情况下,一个输出段中个输入段的排列顺序由下面几个因素决定的。用户可以通过连接选项-first和-last来改变这些规则。
**输入段的属性。
**输入段的名称
**各输入段在连接命令行的输入段列表中的排列顺序
按照输入段的属性,其排列顺序如下所示：
**只读的代码段
**只读的数据段
**可读写的代码段
**其他已经初始化的数据段
**未出世化的数据
对于具有相同属性的输入段,按照其名称来排序。这是输入段名称是区分大小写的,按照其ASCII码顺序进行排序。
对于具有相同属性和名城的输入段,按照其在输入段列表中的顺序进行排序。也就是说,几十个输入段的属性和名称保持不变,如果其在编译时,各输入段在输

入段列表中的排列顺序不同,生成的映像文件也将不同。
可以通过连接选项-first和-last来改变这些规则。如果连接时使用了配置文件,可以在配置文件中通过伪属性FIRST和LAST达到相同的效果。
连接选项-first和-last不能改变根据输入段进行排序的规则,它只能改变根据输入段名称和其在输入列表中的顺序的排序规则。也就是说,如果使用-first指定

一个输入段,只有该输入段所在的输出段位于运行时域的开始位置时,该输入段才能位于整个运行时域的开始位置。
各个输入段排好顺序后,在确定各个输入段的起始地址之前,何以通过填充补丁是个输入段满足地址对齐的要求。