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ARM 架构概览 - WenbinTeng

ARM，即 Advanced RISC Machines，是围绕精简指令集构建的一套处理器生态系统，包括指令集架构、处理器产品、嵌入式系统设计规范等内容。

1. ARM 指令集架构与处理器型号的命名

许多刚接触 ARM 的朋友可能会困扰于它们的指令集与处理器的命名，现在我们先来缕清其命名规则。

1.1 ARM 指令集命名规则

其中：

  • ：表示版本号，目前为 1-9；
  • ：表示变种，指的是在标准系统基础上新增的功能：\n\nT：Thumb 指令集支持；\nM：长乘法指令支持；\nE：增强型 DSP 指令支持；\nJ：Java 加速器 Jazelle；\nSIMD：ARM 多媒体功能支持。\n\n
  • T：Thumb 指令集支持；
  • M：长乘法指令支持；
  • E：增强型 DSP 指令支持；
  • J：Java 加速器 Jazelle；
  • SIMD：ARM 多媒体功能支持。
  • x：表示缺少变种的支持。
  • T：Thumb 指令集支持；
  • M：长乘法指令支持；
  • E：增强型 DSP 指令支持；
  • J：Java 加速器 Jazelle；
  • SIMD：ARM 多媒体功能支持。 以上变体在 ARMv6 指令集中都默认支持，因此不再单独列出。从 ARMv7 指令集开始，ARM 公司将处理器产品线划分为三个部分：A 系列，面向性能密集型系统的应用处理器内核；R 系列，面向实时应用的高性能内核；M 系列，面向各类嵌入式应用的微控制器内核。这三个系列也对应于 ARM 三个字母。这三类产品所使用的指令集对应为：ARMv7-A、ARMv7-R、ARMv7-M。

1.2 ARM 处理器命名规则

ARMv1-2 时期\n 该时期没有对应的 ARM 处理器产品。

ARMv3-6 时期\n 该时期的 ARM 处理器产品的命名规则为：

其中：

  • ：处理器系列，7-10；
  • ：存储管理/保护单元数量；
  • ：cache 数量；
  • ：支持 Thumb 指令集；
  • ：支持片上调试；
  • ：支持快速乘法；
  • ：支持 Embedded ICE，支持嵌入式跟踪调试；
  • ：支持增强型 DSP 指令；
  • ：支持 Jazelle；
  • ：具备向量浮点单元 VFP；
  • ←S>：可综合版本。 ARMv7 以后时期\n 该时期 ARM 处理器产品被划分为三个系列，其命名规则为：

其中：

  • ：产品系列，A/R/M，分别代表高性能处理器、实时处理器、微控制器系列。
  • ：产品型号，代表处理器性能等级，7/5/3，分别代表高级、中级、低级的处理器性能。

1.3 指令集版本与处理器型号对照表

2. ARM 处理器运行模式

ARM 处理器有 7 种运行模式。用户模式即正常程序运行时的模式，此时应用程序不能够访问一些受操作系统保护的系统资源。

除了用户模式之外的 6 种处理器模式称为特权模式。特权模式下，系统可以访问所有的系统资源，也可以任意地进行处理器模式的切换。系统模式拥有和用户模式一样的寄存器。通常操作系统的任务需要访问所有的系统资源，同时该任务仍然使用用户模式的寄存器组，而不是使用异常模式下相应的寄存器组，这样可以保证当异常中断发生时任务状态不被破坏。

除了系统模式之外的 5 种特权模式称为异常模式，当应用程序发生异常中断时，处理器进入相应的异常模式。每一种异常模式都有一组寄存器，供相应的异常处理程序使用，这样就可以保证在进入异常模式时，用户模式下的寄存器（保存了程序运行状态）不被破坏。

3. ARM 寄存器架构

ARM 处理器中包括 37 个寄存器，包括 31 个 32 位的通用寄存器与 6 个 32 位的状态寄存器。ARM 处理器一共有 7 中不同的处理器模式，每一种处理器模式中有一组相应的寄存器组。任意模式下，可见的寄存器包括 15 个通用寄存器（R0-R14）、1-2 个状态寄存器、1 个程序计数器（PC）。在所有的寄存器中，有些是各模式共用的同一个物理寄存器；有一些寄存器是各模式自己拥有的独立的物理寄存器。

3.1 通用寄存器

通用寄存器分为三类：未备份寄存器（Unbanked Registers）R0-R7、备份寄存器（Banked Registers）R8-R14、程序计数器（Program Counter，PC）R15。

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地址，在所有的处理器模式下指的都是同一个物理寄存器。在异常中断造成处理器模式切换时，由于不同的处理器模式使用相同的物理寄存器，可能造成寄存器中数据被破坏。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应用场合都可以使用未备份寄存器。

备份寄存器

备份寄存器包括 R8-R14。对于 R8-R12 来说，每个寄存器地址对应 2 个物理寄存器，分别是 Rx 与 Rx_fiq。后者用于快速中断模式下的中断处理，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过程非常迅速。

对于 R13-R14 来说，每个寄存器地址对应 6 个物理寄存器，Rx 是用户模式和系统模式共用的，Rx_svc/Rx_abt/Rx_abt/Rx_und/Rx_irq/Rx_fiq 对应于其他 5 种处理器模式。

R13 常被用作栈指针。应用程序初始化 R13，使其指向该异常模式专用的栈地址。当进入异常模式时，将需要使用的寄存器值保存在 R13 所指的栈中；当退出异常处理程序时，将保存在 R13 所指的栈中的寄存器值弹出。这样就使异常处理程序不会破坏被其中断程序的运行现场。

R14 又被称为链接寄存器，具有两种作用：（1）用于存放每种处理器模式下子程序返回地址；（2）用于存放异常中断发生时的异常模式返回地址。

程序计数器

R15 为程序计数器，用于保存当前指令的内存地址。

3.2 程序状态寄存器

当前程序状态寄存器（Current Program State Register，CPSR）可以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。保存程序状态寄存器（Saved Program State Register，SPSR）用于存放 CPSR 寄存器的内容，以便异常返回后恢复异常发生时的工作状态。用户模式和系统模式不是异常中断模式，没有 SPSR。

条件标志位

  • N（Negative flag，负数标志）：第 31 位\n\n 当指令执行的结果为负数时，N 标志置 1；否则为 0。\n 例如，在减法操作中，如果结果为负数，N 标志位将被设置为 1。\n\n

  • 当指令执行的结果为负数时，N 标志置 1；否则为 0。

  • 例如，在减法操作中，如果结果为负数，N 标志位将被设置为 1。

  • Z（Zero flag，零标志）：第 30 位\n\n 当指令执行的结果为 0 时，Z 标志置 1；否则为 0。\n 例如，在比较操作中，如果两个操作数相等，Z 标志位将被设置为 1。\n\n

  • 当指令执行的结果为 0 时，Z 标志置 1；否则为 0。

  • 例如，在比较操作中，如果两个操作数相等，Z 标志位将被设置为 1。

  • C（Carry flag，进位标志）：第 29 位\n\n 用于记录无符号数运算中的进位或借位结果。在加法中，如果有进位，C 标志置 1；在减法中，如果有借位，C 标志位也会被设置。\n\n

  • 用于记录无符号数运算中的进位或借位结果。在加法中，如果有进位，C 标志置 1；在减法中，如果有借位，C 标志位也会被设置。

  • V（Overflow flag，溢出标志）：第 28 位\n\n 用于记录有符号数运算中的溢出情况。如果操作结果溢出（超出有符号数的表示范围），V 标志置 1；否则为 0。\n\n

  • 用于记录有符号数运算中的溢出情况。如果操作结果溢出（超出有符号数的表示范围），V 标志置 1；否则为 0。

  • 当指令执行的结果为负数时，N 标志置 1；否则为 0。

  • 例如，在减法操作中，如果结果为负数，N 标志位将被设置为 1。

  • 当指令执行的结果为 0 时，Z 标志置 1；否则为 0。

  • 例如，在比较操作中，如果两个操作数相等，Z 标志位将被设置为 1。

  • 用于记录无符号数运算中的进位或借位结果。在加法中，如果有进位，C 标志置 1；在减法中，如果有借位，C 标志位也会被设置。

  • 用于记录有符号数运算中的溢出情况。如果操作结果溢出（超出有符号数的表示范围），V 标志置 1；否则为 0。 中断屏蔽位（Interrupt Mask bits）

  • I（IRQ 中断屏蔽）：第 7 位\n\n 当 I 位为 1 时，屏蔽 IRQ（普通中断）；为 0 时，允许 IRQ 中断。\n 这允许处理器在某些关键代码执行期间禁止普通中断，以避免被打断。\n\n

  • 当 I 位为 1 时，屏蔽 IRQ（普通中断）；为 0 时，允许 IRQ 中断。

  • 这允许处理器在某些关键代码执行期间禁止普通中断，以避免被打断。

  • F（FIQ 中断屏蔽）：第 6 位\n\n 当 F 位为 1 时，屏蔽 FIQ（快速中断）；为 0 时，允许 FIQ 中断。\nFIQ 是一种比 IRQ 更快速的中断类型，通常用于时间敏感的任务。\n\n

  • 当 F 位为 1 时，屏蔽 FIQ（快速中断）；为 0 时，允许 FIQ 中断。

  • FIQ 是一种比 IRQ 更快速的中断类型，通常用于时间敏感的任务。

  • 当 I 位为 1 时，屏蔽 IRQ（普通中断）；为 0 时，允许 IRQ 中断。

  • 这允许处理器在某些关键代码执行期间禁止普通中断，以避免被打断。

  • 当 F 位为 1 时，屏蔽 FIQ（快速中断）；为 0 时，允许 FIQ 中断。

  • FIQ 是一种比 IRQ 更快速的中断类型，通常用于时间敏感的任务。 Thumb 状态位

  • T（Thumb 状态标志位）：第 5 位\n\n 当 T 位为 1 时，处理器运行在 Thumb 状态下，即执行 16 位指令集；当 T 位为 0 时，处理器运行在 ARM 状态下，执行 32 位指令集。\nThumb 状态是 ARM 处理器的一种优化模式，用于减少指令的存储空间需求，提高代码密度。\n\n

  • 当 T 位为 1 时，处理器运行在 Thumb 状态下，即执行 16 位指令集；当 T 位为 0 时，处理器运行在 ARM 状态下，执行 32 位指令集。

  • Thumb 状态是 ARM 处理器的一种优化模式，用于减少指令的存储空间需求，提高代码密度。

  • 当 T 位为 1 时，处理器运行在 Thumb 状态下，即执行 16 位指令集；当 T 位为 0 时，处理器运行在 ARM 状态下，执行 32 位指令集。

  • Thumb 状态是 ARM 处理器的一种优化模式，用于减少指令的存储空间需求，提高代码密度。 模式位（Mode bits）

模式位决定了当前处理器的运行模式。ARM 处理器有多种运行模式，用于处理不同的任务，如普通程序执行、异常处理、中断处理等。

模式位定义（M4-M0）：第 4-0 位

  • 0b10000：User（用户模式）- 普通程序的非特权模式，应用程序在此模式下运行。
  • 0b10001：FIQ（快速中断模式）- 处理 FIQ 中断。
  • 0b10010：IRQ（普通中断模式）- 处理 IRQ 中断。
  • 0b10011：Supervisor（管理模式）- 进入异常处理（如复位或系统调用）时的特权模式。
  • 0b10111：Abort（终止模式）- 处理内存访问出错的异常。
  • 0b11011：Undefined（未定义模式）- 处理未定义指令异常。
  • 0b11111：System（系统模式）- 具有特权的用户模式，允许直接访问系统资源。 不同的模式可以控制不同的访问权限和寄存器集合。用户模式是非特权模式，其他模式都是特权模式，允许访问更多的系统资源和寄存器。

4. ARM 存储系统

ARM 使用单一地址空间，32 位系统中拥有 2^32 个字节。每个字单元中包含四个字节单元或者两个半字单元；一个半字单元中包含两个字节单元。ARM 默认使用小端模式进行存储，也支持使用大端模式进行存储。如果使用非对齐的地址进行访问，要么会产生不可预测的执行结果，要么由处理器进行地址对齐，要么由存储系统忽略地址低位。

5. ARM 异常中断

在 ARM 体系结构中，有 3 种方式控制程序的执行流程：

  • 在正常程序执行流程中，每执行一条指令，PC 的值加 4；每执行一条 Thumb 指令，PC 的值加 2。整个过程是顺序执行的。
  • 通过跳转指令，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的同时，保存子程序的返回地址；BX 指令在执行跳转操作的同时，根据目标地址的最低位可以将程序状态切换到 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、根据目标地址的最低位可以将程序状态切换到 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。在异常中断处理程序执行完成后，程序返回到发生中断的指令的下一条指令处执行。在进入异常中断处理程序时，要保存被中断的程序的执行现场，在从异常中断处理程序退出时，要恢复被中断的程序的执行现场。 ARM 规定的异常中断如表所示。

5.1 异常响应过程

  1. 保存处理器当前状态、中断屏蔽位以及各条件标志位：将 CPSR 内容保存到将要执行的异常中断对应的 SPSR 物理寄存器中。
  2. 设置处理器执行状态、中断屏蔽位：设置 CPSR 中的模式位，以切换处理器执行模式；设置 IRQ 标志位为 1，以禁止外部中断请求响应；如果需要进入快速中断请求模式，则设置 FIQ 标志位为 1。
  3. 将链接寄存器（R14）设置为异常中断返回地址。
  4. 将程序计数器（R15）设置为该异常中断的中断向量地址。

5.2 异常返回过程

  1. 恢复被中断程序的处理器状态：将当前 SPSR 内容复制到 CPSR 中。
  2. 返回到发生异常中断的指令的下一条指令处执行：将链接寄存器（R14）内容复制到程序计数器（R15）。

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