# ARM 处理器介绍

ARM（Advanced RISC Machines），既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对 ARM 内核微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。

# 简介

1991 年 ARM 公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前，采用 ARM 技术知识产权（IP）核的微处理器（即通常所说的 ARM 处理器），已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于 ARM 技术的微处理器应用约占据了 32 位 RISC 微处理器 75%以上的市场份额，ARM 技术正在逐步渗入到日常生活的各个方面。

ARM 处理器可以根据使用内核的不同划分到各个系列中。这些系列的划分基于 ARM7、ARM9、ARM10、ARM11 内核（后缀数字 7、9、10、11 表示不同的内核设计）。数字升序说明性能和复杂度的提高。在每个系列中，存储器管理、Cache 和 TCM 处理器扩展也有多种变化。

# 特点

• 体积小、低功耗、低成本、高性能。
• 支持 Thumb（16 位）/ARM（32 位）双指令集，能很好地兼容 8 位 /16 位器件。
• 大量使用寄存器，指令执行速度快。
• 大多数数据操作都在寄存器中完成。
• 寻址方式灵活简单，执行效率高。
• 指令长度固定。

# 工作模式

ARM 处理器共有 7 种工作模式。

# 特权模式

除用户模式外，其他模式均为特权模式（Privileged Modes）。ARM 内部寄存器和一些片内外设在硬件设计上只允许在特权模式下访问。此外，特权模式可以自由地切换处理器模式，而用户模式不能直接切换到其他模式。

# 异常模式

特权模式中除了系统模式（System）之外的其他 5 种模式又统称为异常模式。它们除了可以通过在特权下的程序切换进入外，也可以由特定的异常进入，比如硬件产生中断信号进入中断异常模式，读取没有权限数据进入终止异常模式，执行未定义指令时进入未定义指令终止异常模式。其中管理模式也称为超级用户模式，是为操作系统提供软中断的特有模式，正是由于有了软中断，用户程序才可以通过系统调用切换到管理模式。

# 寄存器组织

ARM 处理器共有 37 个 32 位寄存器，其中包括 31 个通用寄存器和 6 个状态寄存器。这些寄存器不能被同时访问，具体哪些寄存器是可编程访问的，取决微处理器的工作状态及具体的运行模式。但在任何时候，通用寄存器 R0～R14、程序计数器 PC、一个或两个状态寄存器都是可访问的。

# 通用寄存器

通用寄存器包括 R0～R15，可以分为三类。

• 未分组寄存器 R0～R7
• 分组寄存器 R8～R14
• 程序计数器 PC（R15）

在所有的运行模式下，未分组寄存器都指向同一个物理寄存器，他们未被系统用作特殊的用途，因此在中断或异常处理进行运行模式转换时，可能会造成寄存器中数据的破坏。

R8～R12 寄存器分别对应两个不同的物理寄存器，当在 fiq 模式时访问寄存器 R8_fiq～R12_fiq，当在其他模式时，访问寄存器 R8_usr～R12_usr。

R13、R14 寄存器分别对应 6 个不同的物理寄存器，其中的一个物理寄存器由用户模式和系统模式共用，另外 5 个物理寄存器对应于其他 5 种不同的运行模式，采用 R13_mode、R14_mode 形式来区分不同的物理寄存器（mode 为：USR、FIQ、IRQ、SVC、ABT、UND）。

R13 在 ARM 指令中常用作栈指针，但这只是一种习惯用法，用户也可使用其他的寄存器作为栈指针。由于处理器的每种运行模式均有自己独立的物理寄存器 R13，因此在初始化部分，需要初始化对应模式下的 R13，这样，当程序的运行进入异常模式时，可以将需要保护的寄存器放入 R13 所指向的栈，而当程序从异常模式返回时，则从对应的栈中恢复。

R14 也称作子程序连接寄存器或连接寄存器 LR，当执行 BL 子程序调用指令时，可以从 R14 中得到 R15（程序计数器 PC）的备份，在每一种运行模式下，都可以用 R14 保存子程序的返回地址。

寄存器 R15 称作程序计数器（PC），R15 虽然也可用作通用寄存器，但通常不这样使用因为对 R15 的使用有一些特殊的限制，如果违反了这些限制，程序的执行结果是未知的。

# 状态寄存器

状态寄存器包括当前程序状态寄存器 CPSR 和备份程序状态寄存器 SPSR。CPSR 可在任何运行模式下被访问，它包括条件标志位、中断禁止位、当前处理器的模式标志位，以及其他一些相关的控制和状态位。每一种异常模式下都有一个专用的物理状态寄存器 SPSR，当异常发生时，SPSR 用于保存 CPSR 的当前值，从异常退出时则可由 SPSR 来恢复 CPSR。由于用户模式和系统模式不属于异常模式，所以它们没有 SPSR，在这两种模式下访问 SPSR，结果是未知的。

# 指令结构

ARM 微处理器在较新的体系结构中支持两种指令集：ARM 指令集和 Thumb 指令集，其中 ARM 指令长度是 32 位，并且执行周期大多为单周期，指令都是有条件执行的；Thumb 指令可以看作是 ARM 指令集压缩形式的子集，其具有 16 位的代码密度，但执行效率低于 ARM 指令，Thumb 指令具有以下特点：

• 指令执行条件经常不会使用。
• 源寄存器与目标寄存器经常是相同的。
• 使用的寄存器数量比较少。
• 常数的值比较小。
• 内核中的桶式移位器（Barrel Shifter）经常是不使用的。