3.5 ARM编程模型
ARM编程模型主要包括数据类型、存储器格式、处理器工作状态、处理器运行模式、寄存器组织和内部寄存器6个方面。
3.5.1 数据类型
（1）数据分类
数据类型有3种：
1）字节（8位）。
2）半字（16位）。
3）字（32位）。
（2）符号数
1）无符号数：N位数据使用正常的二进制格式表示，范围为0～2N-1的非负整数。
2）有符号数：N位数据使用补码表示，其范围为-2N-1～2N-1-1的整数。
（3）字对齐
1）字需要4字节对齐，地址的低2位为00。
2）半字需要2字节对齐，地址的最低2位为0。
结构如图3-5所示。
图3-5 数据类型的结构
3.5.2 存储器格式
ARM体系结构将存储器看作是从“0”地址开始的字节的线性组合。
从0字节到第3个字节放置第1个存储的字数据，从第4个字节到第7个字节放置第2个存储的字数据，依次排列。
作为32位的微处理器，ARM体系结构所支持的最大寻址空间为4GB。
ARM体系结构可以用两种方法存储字数据，称为大端格式和小端格式，具体说明如下：
（1）大端格式
字数据的高字节存储在低地址中，而字数据的低字节则存储在高地址中。
大端格式存储字数据如图3-6所示。
（2）小端格式
与大端存储格式相反，在小端存储格式中，低地址中存储的是字数据的低字节，高地址中存储的是字数据的高字节。
小端格式存储字数据如图3-7所示。
图3-6 大端格式存储字数据
图3-7 小端格式存储字数据
3.5.3 处理器工作状态
ARM处理器可以在两种工作状态之间切换。ARM和Thumb之间状态的切换不影响处理器的模式或寄存器的内容。
1）进入Thumb状态。当操作数寄存器的状态位[0]为“1”时，执行BX指令进入Thumb状态。如果处理器在Thumb状态进入异常，则当异常处理返回时，自动转换到Thumb状态。
2）进入ARM状态。当操作数寄存器的状态位[0]为“0”时，执行BX指令进入ARM状态，处理器进行异常处理。在此情况下，把PC放入异常模式链接寄存器中。从异常矢量地址开始执行也可以进入ARM状态。
通过BX指令在ARM状态和Thumb状态之间切换。
；从ARM状态切换到Thumb状态 LDR R0，=Lable+1 BX R0 ；从Thumb状态切换到ARM状态 LDR R0，=Lable BX R0
其中，Lable为跳转地址标号；地址最低位为“1”，表示切换到Thumb状态；地址最低位为“0”，表示切换到ARM状态。
3.5.4 处理器运行模式
ARM微处理器支持的7种运行模式如下：
1）usr（用户模式）：ARM处理器正常程序执行模式。
2）fiq（快速中断模式）：用于高速数据传输或通道处理。
3）irq（外部中断模式）：用于通用的中断处理。
4）svc（管理模式）：操作系统使用的保护模式。
5）abt （数据访问终止模式）：当数据或指令预取终止时进入该模式，可用于虚拟存储及存储保护。
6）sys（系统模式）：运行具有特权的操作系统任务。
7）und（未定义指令中止模式）：当未定义的指令执行时进入该模式，可用于支持硬件协处理器的软件仿真。
ARM微处理器的运行模式可以通过软件改变，也可以通过外部中断或异常处理改变。
大多数的应用程序运行在用户模式下，当处理器运行在用户模式下时，某些被保护的系统资源是不能被访问的。
除用户模式外，其余的6种模式称为非用户模式，或特权模式；其中除去用户模式和系统模式外的5种又称异常模式，常用于处理中断或异常，以及需要访问受保护的系统资源等情况。
ARM处理器在每一种处理器模式下均有一组相应的寄存器与之对应。即在任意一种处理器模式下，可访问的寄存器包括15个通用寄存器（R0～R14）、1～2个状态寄存器和程序计数器。在所有的寄存器中，有些是在7种处理器模式下共用的同一个物理寄存器，而有些寄存器则是在不同的处理器模式下有不同的物理寄存器。
3.5.5 寄存器组织
ARM处理器的37个寄存器被安排成部分重叠的组，不是在任何模式都可以使用，寄存器的使用与处理器状态和工作模式有关。如图3-8所示，每种处理器模式使用不同的寄存器组。其中，15个通用寄存器（R0～R14），1个或2个状态寄存器和程序计数器是通用的。
（1）通用寄存器
通用寄存器（R0～R15）可分成不分组寄存器R0～R7、分组寄存器R8～R14和程序计数器R15。
1）不分组寄存器R0～R7
不分组寄存器R0～R7是真正的通用寄存器，可以工作在所有的处理器模式下，没有隐含的特殊用途。
图3-8 寄存器组织
2）分组寄存器R8～R14
分组寄存器R8～R14取决于当前的处理器模式，每种模式有专用的分组寄存器用于快速异常处理。
寄存器R8～Rl2可分为两组物理寄存器。一组用于FIQ模式；另一组用于除FIQ外的其他模式。第一组访问R8_fiq～R12_fiq，允许快速中断处理；第二组访问R8_usr～R12_usr，寄存器R8～R12没有任何指定的特殊用途。
寄存器R13～R14可分为6个分组的物理寄存器。1个用于用户模式和系统模式，而其他5个分别用于svc、abt、und、irq和fiq 5种异常模式。访问时需要指定它们的模式，如，R13_＜mode＞，R14_＜mode＞；其中，＜mode＞可以从usr、svc、abt、und、irq和fiq 6种模式中选取1个。
在其他情况下，将R14当作通用寄存器。类似地，当中断或异常出现，或当中断或异常程序执行BL指令时，相应的分组寄存器R14_svc、R14_irq、R14_fiq、R14_abt和R14_und用来保存R15的返回值。
3）程序计数器R15
在ARM状态，位[1：0]为“0”，位[31：2]保存PC。
在Thumb状态，位[0]为“0”，位[31：1]保存PC。
（2）程序状态寄存器
寄存器R16用于程序状态寄存器CPSR，在所有处理器模式下都可以访问CPSR。CPSR包含条件码标志、中断禁止位、当前处理器模式及其他状态和控制信息。每种异常模式都有一个程序状态保存寄存器SPSR，当异常出现时，SPSR用于保存CPSR的状态。
CPSR和SPSR的格式如下：
1）条件码标志
N、Z、C、V（Negative、Zero、Carry、oVerflow）均为条件码标识位。CPSR中的条件码标志可由大多数指令检测以决定指令是否执行。在ARM状态下，绝大多数指令都是有条件执行的。条件码标志的通常含义如下：
■ N：假如是带符号二进制补码，那么，若结果为负数，则N=1；若结果为正数或零，则N＝0。
■ Z：若指令的结果为“0”，则置“1”，否则置“0”。
■ C：可用如下4种方法之一设置：
加法：若加法产生进位，则C置“1”，否则置“0”。
减法：若减法产生借位，则C置“0”，否则置“1”。
对于结合移位操作的非加法/减法指令，C置为移出值的最后1位。
对于其他非加法/减法指令，C通常不改变。
■ V：可用如下两种方法设置，即
对于加法或减法指令，当发生带符号溢出时，V置“1”，认为操作数和结果是补码形式的带符号整数。
对于非加法/减法指令，V通常不改变。
2）控制位
程序状态寄存器PSR的最低8位I、F、T和M[4：0]用作控制位，当异常出现时改变控制位。处理器在特权模式下时，也可由软件改变。
■ 中断禁止位
I：置“1”，则禁止IRQ中断；
F：置“1”，则禁止FIQ中断。
■ T位
T=0：指示ARM执行；
T=1：指示Thumb执行。
■ 模式控制位
M4、M3、M2、Ml和M0（M[4：0]）是模式位，决定处理器的工作模式，参见表3-2。
表3-2 M[4：0]模式控制位
（3）Thumb状态的寄存器集
Thumb状态下的寄存器集是ARM状态下的寄存器集的子集。程序员可以直接访问8个通用寄存器（R0～R7）、PC、SP、LR和CPSR。每一种特权模式都有一组SP、LR和SPSR。
■ Thumb状态R0～R7与ARM状态R0～R7是一致的。
■ Thumb状态CPSR和SPSR与ARM的状态CPSR和SPSR是一致的。
■ Thumb状态SP映射到ARM状态R13。
■ Thumb状态LR映射到ARM状态R14。
■ Thumb状态PC映射到ARM状态PC。
Thumb状态寄存器与ARM状态寄存器的关系如图3-9所示。
图3-9 Thumb状态寄存器映射到ARM状态寄存器
3.5.6 内部寄存器
内部寄存器主要分为R14寄存器和R15寄存器两种类型，下面分别对这两种寄存器的功能进行介绍。
（1）R14寄存器
R14寄存器调用步骤如下：
1）程序A执行过程中调用程序B。
2）程序跳转至标号Lable，执行程序B。同时硬件将BL Lable指令的下一条指令所在地址存入R14。
3）程序B执行后，将R14寄存器的内容放入PC，返回程序A。
R14寄存器调用如图3-10所示。
图3-10 R14寄存器调用
（2）R15寄存器
1）读R15的限制
正常操作时，从R15读取的值是处理器正在取址的地址，即当前正在执行指令的地址加上8字节。由于ARM指令总是以字为单位，所以，R15寄存器的最低两位总是为零。
当使用STR或STM指令保存R15时，这些指令可能将当前指令地址加8字节或加12字节保存。偏移量是8还是12取决于具体的ARM芯片，但是对于一个确定的芯片，这个值是一个常量。所以，最好避免使用STR和STM指令来保存R15，如果很难做到，那么应在程序中计算出该芯片的偏移量。
2）写R15的限制
正常操作时，写入R15的值被当作一个指令地址，程序从这个地址处继续执行。
由于ARM指令以字节为边界，因此，写入R15的值最低两位通常为“0b00”。具体的规则取决于内核结构的版本。
在ARM结构V3版及以下版本中，写入R15的值的最低两位被忽略，因此，跳转地址由指令的实际目标地址和0xFFFFFFFC相与得到。
在ARM结构V4版及以上版本中，写入R15的值的最低两位为“0”，如果不是，结果将不可预测。