ARM的编程模式和七种模式
基本设定
- 架构（32位）
- Byte（字节）：8bits
- Halfword（半字） ：16 bits (2 byte)
- Word（字）：32bits（4 byte）
- 约定
- 指令集
- ARM指令集（32-bit）
- Thumb指令集（16-bit）
- Thunmb指令集（16&32bit）不考虑
工作模式
- 种类：七种
- 非特权模式（Normal：普通模式）
- User（用户模式）：非特权模式，大部分时候在这个模式下工作
- 特权模式（Privilege：特权模式）
- FIQ（快速中断模式）：当一个高优先级（fast）中断产生时将会进入这种模式
- IRQ（普通中断模式）：当一个低优先级（normal）中断产生时进入这种模式
- SVC（管理模式）：当复位或软中断指令执行时进入
- Abt（数据访问终止模式）：当存取异常时进入
- und（未定义指令终止模式）：当执行未定义指令进入
- sys（系统模式）：使用和User模式相同的寄存器的特权模式
Privilege除了System模式外，其他5种为异常模式
各种模式的切换，程序员通过代码切换，（CPSR寄存器）；也可以CPU在某些情况下自动切换（中断或者按复位键）
- 为什么要有这么多模式？
操作系统有安全级别要求，多模式为了方便操作系统多种角色安全等级需求
ARM寄存器组织
- ARM 处理器有 37 个 32 位长的寄存器。
- 1 个用作 PC（程序指针）。
- 1 个用作 CPSR(程序状态寄存器)。
- 5 个用作 SPSR（备份程序状态寄存器）。
- 30 个用作通用寄存器。
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注意：System模式使用user模式寄存器集
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- 条件位
- N：Negative result from ALU (ALU运算时负结果则置1)
- Z：Zero result from ALU （ALU运算时零结果则置1）
- C：ALU operation Carried out（进位标志位则置1）
- V：ALU operation Carried out（溢出是则置1）
- Mode位（理论上可以有32种模式）
- T位（处理器状态控制位）
- T = 0：处理器处于ARM状态（默认）
- T = 1：处理器处于Thumb状态
- 中断禁止位：
- I = 1：禁止 IRQ
- F = 1：禁止FIQ（快速中断）
ARM异常向量表
- 异常：正常工作之外的流程都叫异常，中断是异常的一种。
异常会打断正在执行的工作，并且一般我们希望异常处理完成后继续回来执行原来的工作。
- 异常向量表
- 所有的CPU都有异常向量表，这是CPU设计时就设定好的，是硬件决定的。
- 当异常发生时，CPU会自动动作（PC跳转到异常向量处处理异常，有时伴有一些辅助动作）。
- 异常向量表是硬件向软件提供的处理异常的支持。
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- 异常处理机制（处理过程）
- 从 SPSR_恢复CPSR
- 从LR_恢复PC
- 拷贝 CPSR 到 SPSR_
- 设置适当的CPSR位
- 保存返回地址到 LR_（R14）
- 设置 PC 为相应的异常向量
- 改变处理器状态进入 ARM 态
- 改变处理器模式进入相应的异常模式
- 设置中断禁止位禁止相应中断 (如果需要)
- 产生异常时，ARM内核
- 从异常返回时
注意:这些操作只能在 ARM 态执行。
异常处理中有一些是硬件自动做的，有一些是程序员需要自己做的。需要搞清楚哪些是需要自己做的，才知道如何写代码。以上说的是CPU设计时提供的异常向量表，一般成为一级向量表。有些CPU为了支持多个中断，还会提供二级中断向量表，处理思路类似于这里说的一级中断向量表。 ARM汇编指令集
- 指令与伪指令（汇编）
- 指令：指令是CPU机器指令的助记符，经过编译后会得到一串10组成的机器码，可以由CPU读取执行。
- 伪指令：伪指令本质上不是指令（只是和指令一起写在代码中），它是编译器环境提供的，目的是用来指导编译过程，经过编译后伪指令最终不会生成机器码。
- 两种风格
- ARM官方的指令风格：指令一般用大写，一般用于Windows的开发环境（ADS，MDK等）如： LDR R0, [R1]。
- GNU风格：指令一般用小写字母、linux中常用。如：ldr r0, [r1]。
- ARM汇编特点
- B（byte）功能不变，操作长度变为8位。
- H（half word）功能不变，长度变为16位。
- ！如果指令地址表达式中不含“！”后缀，则基址寄存器中的地址不会发生变化，指令中含有则变化，变化结果如下：基址寄存器中的值（指令执行后）=指令执行前的值+地址偏移量
注意：
- S（signed）功能不变，操作数变为有符号，如 ldr ldrb ldrh ldr*** ldrsh。
- S（S标志）功能不变，影响CPSR标志位，如 mov和movs movs r0, #0。指令中使用“S”后缀，指令执行后状态寄存器的条件标志位将被刷新；不使用“S”后缀时，指令执行后状态寄存器的条件标志位不会发生变化。此标志经常用于对条件进行测试，例如：是否溢出，是否进位等；根据这些变化，就可以进行一些判断，是否大于，是否相等，从而可能影响指令执行顺序。
- “！”后缀必须紧跟在地址表达式后面，而地址表达式要有明确的地址偏移量。
- “！”后缀不能用于R15(PC)的后面
- 当用于单个寄存器后面时，必须确性这个寄存器有隐性的偏移量，eg：“STMDB SP!,{R3,R5,R7}”此时地址基址寄存器SP的隐性偏移量是4。
- 寄存器寻址 mov r1, r2 r2的值赋值给r1
- 立即寻址 mov r0, #0xFF00 #后面的数值直接赋值给r0
- 寄存器移位寻址 mov r0, r1, lsl #3(书本无) r1中的数值左移三位，然后赋值给r0（就是乘于8）
- 寄存器间接寻址 ldr r1, [r2] 类似于指针，r2中存操作数的地址,[]类似于解引用
- 基址变址寻址 ldr r1, [r2, #4] r2为基址，r2里面的地址加4，这个地址存的值读到寄存器中
- 多寄存器寻址 ldmia r1!, {r2-r7, r12} r1中的8个地址读到r2-r7和r12中（类似于数值中的8个元素）
- 堆栈寻址 stmfd sp!, {r2-r7, lr} 将寄存器列表中的寄存器（R2到R7，lr）存入堆栈
- 相对寻址 beq flag
flag:
- ARM采用RISC架构，CPU本身不能直接读取内存，而需要先将内存中内容加载入CPU中通用寄存器中才能被CPU处理。
- ldr（load register）指令将内存内容加载入通用寄存器。
- str（store register）指令将寄存器内容存入内存空间中。
- ldr/str组合用来实现 ARM CPU和内存数据交换
- LDR/STR架构
- 八种寻址方式
- 指令后缀
同一指令经常附带不同后缀，变成不同的指令。经常使用的后缀有：
两个 S 用于不同的指令，名称相同，但是在不同的指令结合却有不同的作用
- 条件执行后缀
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**注意** - 条件后缀是否成立，不是取决于本句代码，而是取决于这句代码之前的代码运行后的结果。 - 条件后缀决定了本句代码是否被执行，而不会影响上一句和下一句代码是否被执行。
- 多指令流水线
- 为增加处理器指令流的速度，ARM使用多级流水线.，下图为3级流水线工作原理示意图。（ARM11为8级），当处理器执行简单的数据处理指令时，流水线使得平均每个时钟周期能完成 1 条指令。但 1 条指令需要 3个时钟周期来完成，因此，有 3 个时钟周期的延时（ latency），但吞吐率（ throughput）是每个周期一条指令。
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**注意**：PC指向正被取指的指令，而非正在执行的指令
- 常用ARM指令
- ldr/str每周期只能访问4字节内存，如果需要批量读取、写入内存时太慢，解决方案是stm/ldm
- stm/ldm
- 举例：
stmia sp, {r0 - r12}
将r0存入sp指向的内存处（假设为0x30001000）；然后地址+4（即指向0x30001004），将r1存入该地址；然后地址再+4（指向0x30001008），将r2存入该地址······直到r12内容放（0x3001030），指令完成。
一个访存周期同时完成13个寄存器的读写
- 八种后缀
- 四种栈
- 后缀符号的作用
- ldm(load register mutiple) 加载多个寄存器
- stm（store register mutiple） 存储多个寄存器
- ia（increase after）先传输，再地址+4
- ib（increase before）先地址+4，再传输
- da（decrease after）先传输，再地址-4
- db（decrease before）先地址-4，再传输
- fd（full decrease）满递减堆栈
- ed（empty decrease）空递减堆栈
- fa（·······） 满递增堆栈
- ea（·······）空递增堆栈
- 空栈：栈指针指向空位，每次存入时可以直接存入然后栈指针移动一格；而取出时需要先移动一格才能取出
- 满栈：栈指针指向栈中最后一格数据，每次存入时需要先移动栈指针一格再存入；取出时可以直接取出，然后再移动栈指针
- 增栈：栈指针移动时向地址增加的方向移动的栈
- 减栈：栈指针移动时向地址减小的方向移动的栈
- ！的作用
ldmia r0, {r2 - r3}
ldmia r0！, {r2 - r3}
感叹号的作用就是r0的值在ldm过程中发生的增加或者减少最后写回到r0去，也就是说ldm时会改变r0的值。
- ^ 的作用
ldmfd sp!, {r0 - r6, pc}
ldmfd sp!, {r0 - r6, pc}^
^的作用：在目标寄存器中有pc时，会同时将spsr写入到cpsr，一般用于从异常模式返回。
- mcr & mrc
- 使用方法
- 举例
- mrc用于读取CP15中的寄存器
- mcr用于写入CP15中的寄存器
- opcode_1：对于cp15永远为0
- Rd：ARM的普通寄存器
- Crn：cp15的寄存器，合法值是c0～c15
- Crm：cp15的寄存器，一般均设为c0
- opcode_2：一般省略或为0
- mcr{} p15, , , , , {}
- mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0 该指令将协处理器 p15 的寄存器中的数据传送到ARM处理器的寄存器中
- mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0 该指令将ARM处理器寄存器 r0 中的数据传送到协处理器 p15 的寄存器 c1 和 c0 中。
- swi（software interrupt）
软中断指令用来实现操作系统中系统调用（真实使用场景用处不大，仅作学习使用）
- 合法立即数：并不是所有的 32-bit 立即数都是可以使用的合法立即数。只有那些通过将一个 8-bit 的立即数循环右移偶数位可以得到的立即数才可以在指令中使用。（了解即可）
注意：加载立即数一般采用伪指令 ldr， 编译器会自动处理非法立即数，这里了解即可，
- ldr/str & ldm/stm & swp
- 单个字/半字/字节访问 ldr/str
- 多字批量访问 ldm/stm
swp r1, r2, [r0] 将 r0 所指向的存储器中的字数据传输到 r1，同时将 r2中的字数据传输到 r0 所指向的内存单元。
swp r1, r1, [r0] 该指令完成将 r0 所执行的存储器中的子数据与 r1 中的字数据互换。
- b & bl & bx
- b 直接跳转（就没打开算返回）
- bl branch and link，跳转前把返回地址放入lr中，以便返回，以便用于函数调用
- bx跳转同时切换到ARM模式，一般用于异常处理的跳转。
- mrs & msr
- mrs用来读psr，msr用来写psr
- CPSR寄存器比较特殊，需要专门的指令访问，这就是mrs和msr。
- 数据传输指令 mov mvn
- 算术指令 add sub r*** adc ***c rsc
- 逻辑指令 and orr eor bic
- 比较指令 cmp cmn tst teq
- 乘法指令 mvl mla umull umlal smull smlal
- 前导零计数 clz
- 数据处理指令
- CPSR访问指令
- 跳转（分支）指令
- 访存指令
- ARM汇编中的立即数
ARM指令都是32位，除了指令标记和操作标记外，本身只能附带很少位数的立即数。因此立即数有合法和非法之分。
- 软中断指令
- 协处理器（CP15）操作指令
CP15，即通常所说的系统控制协处理器（ System Control Coprocesssor）。 SoC内部另一处理核心，协助主CPU实现某些功能，被主CPU调用执行一定任务。
ARM 处理器支持 16 个协处理器。在程序执行过程中，每个协处理器忽略属于 ARM 处理器和其他协处理器的指令。当一个协处理器硬件不能执行属于它的协处理器指令时，将产生一个未定义指令异常中断，在该异常中断处理程序中，可以通过软件模拟该硬件操作。（不必深究）
协处理器的学习要点
不必深究
只看一般用法，不详细区分参数细节，否则会陷入很多复杂未知中。关键在于理解，而不在于记住。
- 批量数据加载存储指令（LDM/STM与栈的处理）
为什么需要多寄存器访问指令
总结：批量读取或写入内存时要用ldm/stm指令各种后缀以理解为主，不需记忆，最常见的是stmia(空堆栈递增)和stmfd（满堆栈递减）。
谨记：操作栈时使用相同的后缀(LDM/STM)就不会出错，不管是满栈还是空栈、增栈还是减栈。
ARM汇编伪指令
- 伪指令的意义
- 伪指令不是指令，伪指令和指令的根本区别是经过编译后会不会生成机器码。
- 伪指令的意义在于指导编译过程。
- 伪指令是和具体的编译器相关的，我们使用gnu工具链，因此学习gnu环境下的汇编伪指令。
- GUN汇编中的一些符号
- @ 用来做注释。可以在行首也可以在代码后面同一行直接跟，和C语言中//类似。
- # 做注释，一般放在行首，表示这一行都是注释而不是代码。
- :以冒号结尾的是标号。
- . 点号在gnu汇编中表示当前指令的地址。
- # 立即数前面要加#或 $，表示这是个立即数。
- ldr 大范围的地址加载指令
- adr 小范围的地址加载指令
- adrl 中等范围的地址加载指令
- nop 空操作
- adr编译时会被1条sub或add指令替代，而ldr编译时会被一条mov指令替代或者文字池方式处理；
- adr总是以PC为基准来表示地址，因此指令本身和运行地址有关，可以用来检测程序当前的运行地址
- 在哪里
- ldr加载的地址和链接时给定的地址有关，由链接脚本决定。
- ldr 大范围的地址加载指令
- adr 小范围的地址加载指令
- adrl 中等范围的地址加载指令
- nop 空操作
- adr编译时会被1条sub或add指令替代，而ldr编译时会被一条mov指令替代或者文字池方式处理；
- adr总是以PC为基准来表示地址，因此指令本身和运行地址有关，可以用来检测程序当前的运行地址
- 在哪里
- ldr加载的地址和链接时给定的地址有关，由链接脚本决定。
- .end @标识文件结束
- .include @ 头文件包含
- .arm / .code32 @声明以下为arm指令
- .thumb / .code16 @声明以下为thubm指令
- .global _start @ 给_start外部链接属性
- .section .text @ 指定当前段为代码段
- .ascii .byte .short .long .word
- .quad .float .string @ 定义数据
- .align 4 @ 以16字节对齐
- .balignl 16 0xabcdefgh @ 16字节对齐填充
- .equ @ 类似于C中宏定义
- 常用GUN伪指令
- 偶尔用到的GUN伪指令
- 最重要的几个伪指令
adr与ldr
ARM中有一个ldr指令，还有一个ldr伪指令
一般都使用ldr伪指令而不用ldr指令
- 最重要的几个伪指令
adr与ldr
ARM中有一个ldr指令，还有一个ldr伪指令
一般都使用ldr伪指令而不用ldr指令
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2021-11-29 12:13:38
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