【ARM】寄存器与异常——第二篇
目录
1、ARM寄存器
1.1、CPU内部的存储单元存在单位:
1.2、通用寄存器（R0-R12）
1.2.1、特殊功能寄存器
1.3、状态寄存器
1.4、条形码标志
1.5、协处理器
1.6、Jazelle状态
1.7、指令流水线
2、异常
2.1、异常源
2.2、异常产生时发生的硬件操作
2.2.1、保存执行状态
2.2.2、模式切换
2.2.3、保存返回地址
2.2.4、跳入异常向量表
2.3、异常向量表
2.4、异常处理
1、ARM寄存器
寄存器:是一种特殊的存储器，在CPU内部，可以用来存储数据，但是存储的内容有一定作用。
对于CortexA有40个寄存器，每个寄存器有32bit，寄存器没有地址，用编号来表示。
1.1、CPU内部的存储单元存在单位:
word:字-----------32bit
halfword:半字---16bit
bitByte:字节-----8bit
1.2、通用寄存器（R0-R12）
有小三角的是私有性寄存器，未加小三角的是通用的寄存器
- 未分组寄存器：R0-R12，在所有模式下，未分组寄存器都是指向同一个物理寄存器，如果存在模式转换时，不同的模式都使用相同的寄存器，所以可能造成寄存器的数据破坏,应该工作模式切换时要保存。
- 分组寄存器：R13（SP）、R14（LR） FIQ是 R8-R12，每次访问寄存器都与当前的工作模式相关，不同的模式都有不同的寄存器
- 程序计数器（指令寄存器/程序状态寄存器）：R15（PC）
1.2.1、特殊功能寄存器
- R13（堆栈指针寄存器SP），存储栈的栈顶位置地址，与内存相关。
- R14（链接寄存器LR），当程序跳转、函数调用、产生异常。
- R15（程序寄存器PC），当前执行的下一条指令地址，会自动由硬件修改，也可以由我们操作改变。
ARM指令：一条ARM指令有4个字节，所以指令偏移大小为4个字节，指令地址是4的整数倍，所以程序计数器最低2位无效（低2位地址为0-3）。
Thumb指令:大小为2个字节，所以程序计数器最低位无效。
1.3、状态寄存器
程序状态寄存器CPSR、SPSR
- CPSR（程序状态寄存器）：存储当前CPU执行程序时的工作状态，CPU在工作时只会有一个工作状态，所以所有的工作模式都是同一个CPSR，所有工作模式都可以访问到CPSR。
- SPSR（程序状态寄存器）：备份当前状态的寄存器，保存当前的CPSR值，然后改变CPSR，异常结束时，回到之前的工作模式，就把SPSR的值恢复到CPSR。
1.4、条形码标志
31-28Bit条件码标志 N Z C V都是条件码标志，它们的内容可以被算数运算或逻辑运算的结果修改。
- N : 当两个有符号数〈用补码表示）进行运算时，用N=1表示运算结果为负数，N=0表示运算结果为整数或零
- Z : Z=1表示运算结果为0，Z=0表示运算结果为非O
- C : 运算加法产生进位，减法产生借位，运算加法时，如果产生了进位时C=1，否则C=0,减法运算时，如果产生了借位时C=O，否则C=1。进行包含移位操作的非加法/减法的指令时，C为移出值的最后一位，其他耳加法/减法指令时，C通常不变。
- V ：进行有符号位（补码表示）运算时，符号位溢出，V=1。
- 27Bit：Q，ARMV5架构以上的E系列使用，表示增强的DSP运算是否发生了溢出，其他处理器，Q没有意义。
- 24Bit：J，T=0，J=1，处理器是处于JaZelle状态
- 9Bit：E，大小端的控制
- 8Bit：A=1，禁止不精确的数据异常
- 7Bit：I=1，禁止IRQ中断
- 6Bit：F=1，禁止FIQ中断
- 5Bit：T=0，J=0，处理器处于ARM状态（32位指令），解析ARM指令。
T=1，J=0，处理器处于Thumb状态（16位指令）。
T=1，J=1，处理器处于ThumbEE状态
4-0Bit：工作模式
用户模式（user）：0B10000----R0-R14、PC、CPSR
快速中断模式FIQ : 0b10001-----RO-R7，R8_FIQ-R14_FIQ, PC,CPSR,SPSR
一般中断模式IRQ：0b10010
管理模式supervisor：0b10011
中止模式abort：0b10111
未定义模式undefined：ob11011系统模式
system：0b11111
Cortex-A特有安全模式monitor：0b10110
1.5、协处理器
ARM体系架构允许通过添加协处理器来扩展指令集，每个协处理器执行指令时，会忽略处理器和其他协处理器的指令当协处理器也不能识别指令时，也会产生未定义异常。
ARM协处理器指令分为三类:
用于ARM处理器初始化ARM协处理器的数据操作
用于ARM处理器的寄存器和ARM协处理器的寄存器之间的数据传输操作
用于ARM协处理器的寄存器和内存之间数据传输操作
1.6、Jazelle状态
在ARM处理器种有Jazelle技术，实现在ARM处理器种能够直接在硬件上提供了对java字节码的支持，提高系统效率。
java字节码就是]B-bits独立架构的指令集
1.7、指令流水线
指令流水线：让CPU内部的多个部件并行工作，以缩短程序的执行时间，提高了处理器的效率，所以处理器架构设计时，其作为最重要的技术进行使用。
三级流水线：
（1）取址（PC取址）
（2）译码
（3）执行
指令的取址、译码、执行的这三个执行过程，将其变成流水线形式执行，就是三级流水线指令。
ARM架构升级，流水线也在增加，但是ARM公司没有提供对应的技术，但是不管是几级流水线都可以按照三级流水线的操作方式来思考。
2、异常
在CPU执行程序(指令）时，有可能会出现意外情况，需要去解决对应的意外情况，就叫做异常
2.1、异常源
在ARM体系结构中设计了7种异常源，ARM架构就需要对这些异常源进行处理，只要执行程序指令时产生对应的异常就会执行对应的异常处理。
只要发生对应的异常时，处理器就会把PC寄存器设置为特定的存储器地址。这个地址被放在称为向量表的范围内，向量表内就是一些跳转操作。即CPU设计了一个向量表来表示每一种异常的处理方式，只要产生异常，PC寄存器就会被设置为向量表种的对应异常的地址，执行异常向量表中的对应指令(跳转执行，执行对应的处理办法)。
ARM异常源
| 异常源 | 对应异常 |
|---|---|
| Reset | 上电执行 |
| undef | 当流水线中某个非法指令被执行(undefined) |
| swi | 当程序执行软中断指令时(supervisor svc) |
| Prefetch | 当指令从内存进行存取指令失败时(abort) |
| Data | 当指令从内存存取数据失败时(abort) |
| IRQ | 一般中断 |
| FIQ | 快速中断 |
2.2、异常产生时发生的硬件操作
2.2.1、保存执行状态
把CPSR寄存器的内容复制到对应产生异常的模式下的SPSR。
2.2.2、模式切换
由硬件自动把cpsr中的模式[4 ：0]设置为与异常相对应的值
处理器设置为ARM状态，执行ARM指令
禁止中断，如进入FIQ模式自动把IRQ中断禁止
2.2.3、保存返回地址
把当前的下一条指令的地址保存到 LR_mode寄存器(异常模式下)
2.2.4、跳入异常向量表
强制设置PC寄存器为对应异常向量地址
2.3、异常向量表
异常面量表是一段特定的内存空间，每一种ARM异常都在异常向量中设定出来，对应一个字长空间4Byte（32bit)，就是一条ARM指令大小，产生异常时，CPU强制把PC的值设置为对应异常的地址。
当产生异常后，硬件能够完成的操作就只是跳转到异常向量表(d赋值为异常向量地址)，剩下的异常处理都是由程序员完成。通常在向量中写一条跳转指令，表示异常应该怎么做，跳转到对应的地址（异常处理地址）执行。
实现异常向量表，完成异常设定。
2.4、异常处理
异常处理是由自己实现的
（1）保存现场（进入异常之前寄存器的值）
将寄存器的值保存到对应异常模式下的栈（内存)(入栈)，SP寄存器存栈地址。
（2）执行对应的异常操作
（3）恢复之前现场
当异常处理完，要返回异常之前的状态，继续执行
恢复之前的寄存器数据（从sp对应的栈出栈存储到对应寄存器)
恢复程序运行是的状态cpsr
通过异常逛入时保存的返回地址(Ir寄存器)，可以返回到被打断的程序继续执行
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