ARM 工作模式及寄存器

• ARM 工作模式及寄存器
  • 简单的计算机工作原理
    • CPU
    • FLASH（闪存）
    • 内存
    • 总线
  • ARM处理器的工作模式
    • 硬件中断
    • 软件中断
    • ARM寄存器结构
    • 特殊的几个寄存器
    • 简单实践
  • CPSR寄存器
    • 条件位
    • T位和J位
    • 中断禁止位
    • M模式位（处理器模式位）
    • 操作指令

简单的计算机工作原理

CPU

CPU是计算机的核心部分，用于执行程序指令。它包含以下几个主要组件：

FLASH（闪存）

FLASH存储是一种非易失性存储器，用于存储固件、操作系统和应用程序。
在图中显示了几个指令存储在FLASH中：

mov r0,#1:将数值1加载到r0寄存器中。
add r1,r0,#1:将r0中的值加1，并将结果存储到寄存器r1中。
cmp r1,#0:将寄存器r1中的值与0进行比较。

内存傍边记录了三条指令的

内存

内存（RAM）是易失性存储器，用于临时存储正在运行的程序和数据。CPU从内存中读取数据和指令，并将计算结果写回内存。

总线

总线是连接CPU、内存和FLASH存储器的通信通道。它们通过总线进行数据传输和指令传递。总线确保各个组件可以协调工作，进行数据交换。

ARM处理器的工作模式

三角的是ARM下独有的空间，如果切换模式同样会被改变。

硬件中断

硬件中断由硬件设备（如键盘、鼠标、网络卡等）发出，用于通知处理器需要立即处理的事件。
举例：键盘中断、定时器中断、网络中断

软件中断

软件中断是由软件程序发出的，用于请求操作系统提供的服务或处理某些异常情况。
举例：系统调用、异常处理

ARM寄存器结构

ARM有37个寄存器，包括：
1个程序计数器（PC，Program Counter）
1个当前程序状态寄存器（CPSR，Current Program Status Register）
5个保存的程序状态寄存器（SPSR，Saved Program Status Registers）
30个通用寄存器

特殊的几个寄存器

R13（SP，Stack Pointer）：堆栈指针寄存器，用于指向当前堆栈顶。
R14（LR，Link Register）：连接寄存器，用于保存子程序返回地址。
R15（PC，Program Counter）：程序计数器，指向当前执行的指令。

简单实践

    .text
    b   main  
    nop
    b   back
    nop
    nop
    nop
    nop
    nop
main:
    mov r0,#3
    mov r4,#5
    mov r0,#3
back:
    add r0,#7
    mov r1,r0
    swi 3
    mov r3,#4
    loop:
        b back
        .end

0x00000000是地址。
EA000006是机器码。
这里的b main表示跳转到main方法里面。
0x00000020就是main的位置。

R15（PC）记录的是下一条执行指令的位置。

mov r0,#3表示将3的值赋给r0寄存器，下面的几条指令是相同的操作。

add r0,#7然后add指令表示加法加上7结果值也就是10，16进制也就是A。
mov r1,r0将r0的值复制给r1

swi 3触发一个软中断指令。
执行后发现Supervisor里面的值被触发了，切换到了Supervisor模式

CPSR寄存器

这两张图为我们呈现了CPSR寄存器字段。

条件位

N（Negative result from ALU）：表示最近一次ALU操作的结果是负数。
Z（Zero result from ALU）：表示最近一次ALU操作的结果是零。
C（ALU operation Carried out or borrow）：表示最近一次ALU操作有进位或借位。
V（ALU operation oVerflowed）：表示最近一次ALU操作发生溢出。

T位和J位

T位（Thumb状态位）：决定处理器是工作在ARM状态（T=0）还是Thumb状态（T=1）。
Thumb状态是ARM处理器的一种工作模式，使用更紧凑的指令集。
J位（Jazelle状态位）：通常与Java字节码执行有关，在普通应用中很少用到。

中断禁止位

I（IRQ禁止位）：当I=1时，禁止普通中断（IRQ）。
F（FIQ禁止位）：当F=1时，禁止快速中断（FIQ）。

M模式位（处理器模式位）

处理器可以工作在不同的模式下，不同的模式有不同的特权级和用途。
模式位用5位二进制数表示，如下：

10000（User mode）[10]：用户模式，普通应用程序运行的模式。
10010（IRQ mode）[12]：中断请求模式，用于处理中断。
10011（SVC mode）[13]：超级用户模式，用于操作系统服务。
10111（Abort mode）[17]：数据访问中止模式，用于处理存储器访问错误。
11011（Undefined mode）[1B]：未定义指令模式，用于处理未定义指令。
11111（System mode）[1F]：系统模式，高特权级，用于操作系统。

那么我们刚刚执行的swi 3就很好解释了。
由于I = 1,F = 1禁止普通中断和快速中断。
M = 0x13也就是10111切换为Supervisor模式。
R14指向了一个地址，用于保存子程序返回地址。

在Internal下面的Mode同样显示出当前的模式。

操作指令

msr指令：将CPSR寄存器的值读到一个通用寄存器中，例如mrs r0, CPSR表示将CPSR的值读到寄存器r0中。
mrs指令：将一个通用寄存器的值写到CPSR寄存器中，例如msr CPSR, r0表示将寄存器r0的值写到CPSR中。

接下来我们通过msr指令将其切换为User模式。
并将读取到R0寄存器中。

    .text
    b   main  
    nop
    nop
    nop
    nop
    nop
    nop
    nop
main:
    msr CPSR,#0x10
    mrs r0,CPSR

可以看到我们操作成功，但是如果想切回Supervisor是不行的，因为权限不够。