3.1 ARM体系结构

计算机的指令集一般可分为4种：复杂指令集（CISC）、精简指令集（RISC）、显式并行指令集（EPIC）和超长指令字指令集（VLIW）。我们在嵌入式学习和工作中需要经常打交道的是RISC指令集。RISC指令集相对于CISC指令集，主要有以下特点。

● Load/Store架构，CPU不能直接处理内存中的数据，要先将内存中的数据Load（加载）到寄存器中才能操作，然后将处理结果Store（存储）到内存中。

● 固定的指令长度、单周期指令。

● 倾向于使用更多的寄存器来存储数据，而不是使用内存中的堆栈，效率更高。

ARM指令集虽然属于RISC，但是和原汁原味的RISC相比，还是有一些差异的，具体如下。

● ARM有桶型移位寄存器，单周期内可以完成数据的各种移位操作。

● 并不是所有的ARM指令都是单周期的。

● ARM有16位的Thumb指令集，是32位ARM指令集的压缩形式，提高了代码密度。

● 条件执行：通过指令组合，减少了分支指令数目，提高了代码密度。

● 增加了DSP、SIMD/NEON等指令。

ARM处理器有多种工作模式，如表3-1所示。应用程序正常运行时，ARM处理器工作在用户模式（User mode），当程序运行出错或有中断发生时，ARM处理器就会切换到对应的特权工作模式。用户模式属于普通模式，有些特权指令是运行不了的，需要切换到特权模式下才能运行。在ARM处理器中，除了用户模式是普通模式，剩下的几种工作模式都属于特权模式。

表3-1 ARM处理器的不同工作模式

为了保证计算机能长期安全稳定地运行，CPU提供了多种工作模式和权限管理。应用程序正常运行时，处理器处于普通模式，没有权限对内存和底层硬件进行操作。应用程序如果要读写磁盘上的音频数据，驱动声卡播放音乐，往屏幕写数据显示歌词，则要首先通过系统调用或软中断进入处理器特权模式，运行操作系统内核或硬件驱动代码，才能对底层的硬件设备进行读写操作。

在ARM处理器内部，除了基本的算术运算单元、逻辑运算单元、浮点运算单元和控制单元，还有一系列寄存器，包括各种通用寄存器、状态寄存器、控制寄存器，用来控制处理器的运行，保存程序运行时的各种状态和临时结果，如图3-1所示。

图3-1 ARM处理器中的寄存器

（来源：ARM官方手册）

ARM处理器中的寄存器可分为通用寄存器和专用寄存器两种。寄存器R0～R12属于通用寄存器，除了FIQ工作模式，在其他工作模式下这些寄存器都是共用、共享的：R0～R3通常用来传递函数参数，R4～R11用来保存程序运算的中间结果或函数的局部变量等，R12常用来作为函数调用过程中的临时寄存器。ARM处理器有多种工作模式，除了这些在各个模式下通用的寄存器，还有一些寄存器在各自的工作模式下是独立存在的，如R13、R14、R15、CPSP、SPSR寄存器，在每个工作模式下都有自己单独的寄存器。R13寄存器又称为堆栈指针寄存器（Stack Pointer，SP），用来维护和管理函数调用过程中的栈帧变化，R13总是指向当前正在运行的函数的栈帧，一般不能再用作其他用途。R14寄存器又称为链接寄存器（Link Register，LR），在函数调用过程中主要用来保存上一级函数调用者的返回地址。寄存器R15又称为程序计数器（Program Counter，PC），CPU从内存取指令执行，就是默认从PC保存的地址中取的，每取一次指令，PC寄存器的地址值自动增加。CPU一条一条不停地取指令，程序也就源源不断地一直运行下去。在ARM三级流水线中，PC指针的值等于当前正在运行的指令地址+8，后续的32位处理器虽然流水线的级数不断增加，但为了简化编程，PC指针的值继续延续了这种计算方式。

当前处理器状态寄存器（Current Processor State Register，CPSR）主要用来表征当前处理器的运行状态。除了各种状态位、标志位，CPSR寄存器里也有一些控制位，用来切换处理器的工作模式和中断使能控制。CPSR寄存器各个标志位、控制位的详细说明如图3-2所示。

图3-2 CPSR寄存器的标志位、控制位的详细说明

在每种工作模式下，都有一个单独的程序状态保存寄存器（Saved Processor State Register，SPSR）。当ARM处理器切换工作模式或发生异常时，SPSR用来保存当前工作模式下的处理器现场，即将CPSR寄存器的值保存到当前工作模式下的SPSR寄存器。当ARM处理器从异常返回时，就可以从SPSR寄存器中恢复原先的处理器状态，切换到原来的工作模式继续运行。

在ARM所有的工作模式中，有一种工作模式比较特殊，即FIQ模式。为了快速响应中断，减少中断现场保护带来的时间开销，在FIQ工作模式下，ARM处理器有自己独享的R8～R12寄存器。