ARM内核与寄存器

ARM内核与寄存器详解

目录

  • ARM架构概述
  • ARM处理器模式
    • Cortex-M3内核的处理器模式
    • Cortex-A系列处理器模式
  • ARM寄存器集
    • 通用寄存器
    • 程序计数器(PC)
    • 链接寄存器(LR)
    • 堆栈指针(SP)
    • 状态寄存器(CPSR/SPSR)
  • 协处理器寄存器
  • NEON和VFP寄存器
  • 寄存器使用规范
  • 常见ARM指令与寄存器操作

ARM架构概述

ARM(Advanced RISC Microprocessor)是一种RISC(精简指令集计算机)处理器架构，最初由Acorn计算机公司设计，现在由ARM公司开发和授权。由于其低功耗和高性能特性，ARM处理器广泛应用于移动设备、嵌入式系统和物联网设备。

ARM架构已经发展了多个版本，从ARMv1到最新的ARMv9，不同版本引入了不同的功能和改进。主要的架构系列包括：

  • Cortex-A系列：应用处理器，用于高性能系统
  • Cortex-R系列：实时处理器，用于需要快速响应的系统
  • Cortex-M系列：微控制器，用于低功耗嵌入式设备

ARM处理器模式

ARM处理器有多种操作模式，每种模式有不同的寄存器可见性和权限级别：

模式描述进入方式
用户模式普通程序执行程序正常运行
系统模式特权操作系统任务软件切换
管理模式系统保护模式软件中断
中止模式处理内存访问违例数据或指令预取中止
未定义模式处理未定义指令遇到未定义指令
快速中断模式高优先级中断处理FIQ中断
中断模式中断处理IRQ中断

Cortex-M3内核的处理器模式

注意：Cortex-M3内核采用了简化的处理器模式系统，与传统ARM架构不同。Cortex-M3主要有两种运行模式：

  1. 线程模式(Thread Mode) - 用于运行应用程序代码
  2. 处理器模式(Handler Mode) - 用于处理所有异常

Cortex-M3还引入了特权级别的概念：

  • 特权访问 - 可访问所有系统资源
  • 非特权访问 - 受限制的资源访问

以下是Cortex-M3中不同情况的模式对应关系：

传统ARM模式Cortex-M3对应情况实际例子
用户模式线程模式(非特权)运行普通应用程序代码，如循环计算任务
系统模式线程模式(特权)操作系统执行特权操作，如初始化外设、配置MPU
管理模式通过SVC异常进入Handler模式应用程序调用SVC指令请求操作系统服务，如SVC #0切换任务
中止模式MemManage异常进入Handler模式程序访问MPU禁止的内存区域；设置了只读区域但尝试写入
未定义模式UsageFault异常进入Handler模式执行了未支持的浮点指令；除零操作；未对齐的内存访问
快速中断模式没有直接对应，所有中断进入Handler模式EXTI外部中断；高优先级的ADC转换完成中断
中断模式没有直接对应，所有中断进入Handler模式UART接收完成中断；SysTick系统定时器中断
Cortex-M3异常处理示例：

  1. 硬故障(HardFault)例子：

    • 程序尝试执行未映射内存区域的代码
    • 访问了未对齐的内存地址
    • 在中断处理过程中出现嵌套错误

  2. SVC(管理模式)例子：

    // 通过SVC调用请求操作系统服务
__asm("SVC #42");  // 调用42号系统服务，例如RTOS切换任务

  3. BusFault例子：

    // 访问无效的外设地址
volatile uint32_t *ptr = (uint32_t *)0x60000000; // 假设这是无效总线地址
*ptr = 0x1234;  // 触发BusFault异常

  4. 使用故障例子：

    // 未对齐的访问(如果启用了对齐检查)
volatile uint32_t *ptr = (uint32_t *)0x20000001; // 非4字节对齐地址
*ptr = 0x1234;  // 触发UsageFault异常

Cortex-A系列处理器模式

Cortex-A系列处理器保留了传统ARM架构的7种处理器模式，并增加了安全扩展和虚拟化扩展模式。以下是Cortex-A核在不同情况下的模式例子：

模式Cortex-A对应情况实际例子
用户模式低特权应用程序手机上运行的普通APP；Linux用户空间程序
系统模式高特权操作系统代码操作系统内核执行特权任务；驱动程序操作硬件
管理模式系统调用处理应用程序通过SWI/SVC请求系统服务；Android的Binder调用
中止模式内存访问违例处理程序访问受MMU保护的内存区域；Linux中的段错误(SIGSEGV)
未定义模式处理未识别指令程序执行平台不支持的指令；尝试执行NEON指令但硬件不支持
快速中断模式高优先级外设中断DMA传输完成；高速存储器控制器中断；显示刷新中断
中断模式普通外设中断处理触摸屏输入；按键中断；传感器数据就绪中断
监视模式TrustZone安全世界安全认证；指纹处理；支付系统隔离
虚拟机模式虚拟化支持(ARMv7-A)虚拟机管理程序；Docker容器环境切换
Cortex-A与Cortex-M主要区别：

  1. 处理器模式实现:

    • Cortex-A: 完整的7种模式+扩展模式，通过CPSR控制
    • Cortex-M: 简化为线程模式和处理器模式两种，通过异常入口管理

  2. 特权级别:

    • Cortex-A: 通过处理器模式区分特权
    • Cortex-M: 明确的特权/非特权状态区分

  3. 异常处理:

    • Cortex-A: 使用向量表+模式切换
    • Cortex-M: 统一的异常机制，自动保存/恢复上下文
Cortex-A异常处理示例：
// Cortex-A中的异常向量表设置
// 通常在汇编启动文件中定义
void vectors(void) __attribute__((section("vectors")));
void vectors(void) {asm("b reset_handler");      // 复位处理asm("b undefined_handler");  // 未定义指令asm("b svc_handler");        // 软件中断(SVC)asm("b prefetch_handler");   // 取指中止asm("b data_handler");       // 数据中止asm("b unused_handler");     // 未使用asm("b irq_handler");        // 中断asm("b fiq_handler");        // 快速中断
}// SVC示例 - Linux系统调用
int main() {int result;// 调用write系统调用(4号)asm("mov r0, #1");          // 文件描述符1(stdout)asm("ldr r1, =message");    // 消息缓冲区asm("mov r2, #13");         // 消息长度asm("mov r7, #4");          // write系统调用号asm("swi #0");              // 执行系统调用asm("mov %0, r0" : "=r" (result));return 0;
}

ARM寄存器集

通用寄存器

ARM架构提供16个32位通用寄存器(R0-R15)，其中R13-R15有特殊用途：

寄存器别名描述使用约定
R0-通用寄存器第一个函数参数，函数返回值
R1-R3-通用寄存器函数参数
R4-R11-通用寄存器需在函数调用间保存
R12IP程序内部暂存寄存器过程调用中临时使用
R13SP堆栈指针指向当前堆栈顶部
R14LR链接寄存器保存子程序返回地址
R15PC程序计数器指向当前执行指令

程序计数器(PC)

PC寄存器(R15)保存当前执行指令的地址。在ARM状态下，PC指向当前指令地址+8；在Thumb状态下，PC指向当前指令地址+4。

使用方法：

  • 读取PC获得当前指令附近的地址
  • 向PC写入值实现跳转
MOV R0, PC      @ 获取当前PC值
MOV PC, LR      @ 从子程序返回

链接寄存器(LR)

LR寄存器(R14)用于存储子程序返回地址。当执行BL(分支并链接)指令时，返回地址被自动保存到LR中。

使用方法：

  • 调用子程序前保存LR(如果子程序内还会调用其他函数)
  • 子程序返回时将LR的值复制到PC
PUSH {LR}       @ 保存返回地址
BL subroutine   @ 调用子程序
POP {PC}        @ 恢复返回地址并返回

堆栈指针(SP)

SP寄存器(R13)指向当前堆栈顶部。ARM通常采用满递减(Full Descending)堆栈，即SP指向最后一个已入栈的数据项。

使用方法：

  • PUSH操作前先减少SP，再存储
  • POP操作先加载，再增加SP
PUSH {R0-R3}    @ 将R0-R3压入堆栈
POP {R0-R3}     @ 从堆栈弹出到R0-R3

状态寄存器(CPSR/SPSR)

当前程序状态寄存器(CPSR)和保存的程序状态寄存器(SPSR)包含处理器状态信息。

CPSR字段：

  • 条件标志(N,Z,C,V)：用于条件执行
  • 控制位：处理器模式、中断禁用标志、指令集状态等

条件标志：

  • N(负数)：结果为负
  • Z(零)：结果为零
  • C(进位)：产生进位
  • V(溢出)：有符号溢出
CMP R0, R1      @ 比较R0和R1，设置条件标志
ADDPL R0, R0, #1 @ 如果结果非负(N=0)则执行加法

协处理器寄存器

ARM架构支持协处理器扩展，包括CP15系统控制协处理器。CP15寄存器控制缓存、MMU、系统控制和配置。

访问方法：

MRC p15, 0, R0, c1, c0, 0  @ 读取CP15 c1寄存器到R0
MCR p15, 0, R0, c1, c0, 0  @ 写入R0到CP15 c1寄存器

NEON和VFP寄存器

现代ARM架构包含NEON和VFP(向量浮点)扩展，提供额外的寄存器用于SIMD和浮点运算：

  • 32个64位寄存器(D0-D31)
  • 也可视为16个128位寄存器(Q0-Q15)
VMOV.F32 S0, #1.0        @ 加载浮点常量到S0
VADD.F32 S0, S0, S1      @ 浮点加法
VLDM R0, {D0-D3}         @ 加载多个64位寄存器

寄存器使用规范

ARM架构定义了AAPCS(ARM架构过程调用标准)规范：

  • R0-R3：参数传递和结果返回，调用者保存
  • R4-R11：局部变量，被调用者保存
  • R12(IP)：内部过程调用暂存，调用者保存
  • R13(SP)：堆栈指针，被调用者保存
  • R14(LR)：链接寄存器，被调用者保存
  • R15(PC)：程序计数器

参数传递机制

当函数参数超过4个时，ARM采用以下策略：

  • 前4个参数通过R0-R3寄存器传递
  • 额外的参数通过栈传递，从右到左入栈
  • 参数在栈上按照4字节对齐
  • 被调用者负责从栈上获取额外参数

示例：调用有6个参数的函数func(a, b, c, d, e, f)

MOV R0, #1          @ 第一个参数 a
MOV R1, #2          @ 第二个参数 b
MOV R2, #3          @ 第三个参数 c
MOV R3, #4          @ 第四个参数 d
PUSH {R5, R6}       @ 将第五和第六个参数入栈 (f先入栈，e后入栈)
MOV R5, #6          @ 第六个参数 f (先入栈)
MOV R6, #5          @ 第五个参数 e (后入栈)
PUSH {R5, R6}
BL func             @ 调用函数
ADD SP, SP, #8      @ 调用完成后恢复栈(清理参数)

对于返回值：

  • 32位或更小的返回值保存在R0中
  • 64位返回值使用R0和R1
  • 更大的结构体通过引用返回，调用者提供内存地址作为隐式第一个参数

常见ARM指令与寄存器操作

数据处理指令：

MOV R0, R1          @ R0 = R1
ADD R0, R1, R2      @ R0 = R1 + R2
SUB R0, R1, #1      @ R0 = R1 - 1
AND R0, R1, #0xFF   @ R0 = R1 & 0xFF

内存访问指令：

LDR R0, [R1]        @ 从R1指向的地址加载到R0
STR R0, [R1, #4]    @ 存储R0到R1+4指向的地址
LDMIA R1!, {R0-R4}  @ 多寄存器加载，递增后更新R1
STMDB R13!, {R0-R3} @ 多寄存器存储，递减前更新R13

分支指令：

B label             @ 无条件分支
BL function         @ 分支并链接(调用子程序)
BX LR               @ 分支并切换状态(常用于返回)
CMP R0, #0          @ 比较R0与0
BEQ zero_label      @ 相等时分支

条件执行：

ADDEQ R0, R0, R1    @ 当Z=1时执行加法
MOVNE R0, #0        @ 当Z=0时执行赋值

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