ARM內核與寄存器

ARM內核與寄存器詳解

目錄

  • ARM架構概述
  • ARM處理器模式
    • Cortex-M3內核的處理器模式
    • Cortex-A系列處理器模式
  • ARM寄存器集
    • 通用寄存器
    • 程序計數器(PC)
    • 鏈接寄存器(LR)
    • 堆棧指針(SP)
    • 狀態寄存器(CPSR/SPSR)
  • 協處理器寄存器
  • NEON和VFP寄存器
  • 寄存器使用規范
  • 常見ARM指令與寄存器操作

ARM架構概述

ARM(Advanced RISC Microprocessor)是一種RISC(精簡指令集計算機)處理器架構，最初由Acorn計算機公司設計，現在由ARM公司開發和授權。由于其低功耗和高性能特性，ARM處理器廣泛應用于移動設備、嵌入式系統和物聯網設備。

ARM架構已經發展了多個版本，從ARMv1到最新的ARMv9，不同版本引入了不同的功能和改進。主要的架構系列包括：

  • Cortex-A系列：應用處理器，用于高性能系統
  • Cortex-R系列：實時處理器，用于需要快速響應的系統
  • Cortex-M系列：微控制器，用于低功耗嵌入式設備

ARM處理器模式

ARM處理器有多種操作模式，每種模式有不同的寄存器可見性和權限級別：

模式描述進入方式
用戶模式普通程序執行程序正常運行
系統模式特權操作系統任務軟件切換
管理模式系統保護模式軟件中斷
中止模式處理內存訪問違例數據或指令預取中止
未定義模式處理未定義指令遇到未定義指令
快速中斷模式高優先級中斷處理FIQ中斷
中斷模式中斷處理IRQ中斷

Cortex-M3內核的處理器模式

注意：Cortex-M3內核采用了簡化的處理器模式系統，與傳統ARM架構不同。Cortex-M3主要有兩種運行模式：

  1. 線程模式(Thread Mode) - 用于運行應用程序代碼
  2. 處理器模式(Handler Mode) - 用于處理所有異常

Cortex-M3還引入了特權級別的概念：

  • 特權訪問 - 可訪問所有系統資源
  • 非特權訪問 - 受限制的資源訪問

以下是Cortex-M3中不同情況的模式對應關系：

傳統ARM模式Cortex-M3對應情況實際例子
用戶模式線程模式(非特權)運行普通應用程序代碼，如循環計算任務
系統模式線程模式(特權)操作系統執行特權操作，如初始化外設、配置MPU
管理模式通過SVC異常進入Handler模式應用程序調用SVC指令請求操作系統服務，如SVC #0切換任務
中止模式MemManage異常進入Handler模式程序訪問MPU禁止的內存區域；設置了只讀區域但嘗試寫入
未定義模式UsageFault異常進入Handler模式執行了未支持的浮點指令；除零操作；未對齊的內存訪問
快速中斷模式沒有直接對應，所有中斷進入Handler模式EXTI外部中斷；高優先級的ADC轉換完成中斷
中斷模式沒有直接對應，所有中斷進入Handler模式UART接收完成中斷；SysTick系統定時器中斷
Cortex-M3異常處理示例：

  1. 硬故障(HardFault)例子：

    • 程序嘗試執行未映射內存區域的代碼
    • 訪問了未對齊的內存地址
    • 在中斷處理過程中出現嵌套錯誤

  2. SVC(管理模式)例子：

    // 通過SVC調用請求操作系統服務
__asm("SVC #42");  // 調用42號系統服務，例如RTOS切換任務

  3. BusFault例子：

    // 訪問無效的外設地址
volatile uint32_t *ptr = (uint32_t *)0x60000000; // 假設這是無效總線地址
*ptr = 0x1234;  // 觸發BusFault異常

  4. 使用故障例子：

    // 未對齊的訪問(如果啟用了對齊檢查)
volatile uint32_t *ptr = (uint32_t *)0x20000001; // 非4字節對齊地址
*ptr = 0x1234;  // 觸發UsageFault異常

Cortex-A系列處理器模式

Cortex-A系列處理器保留了傳統ARM架構的7種處理器模式，并增加了安全擴展和虛擬化擴展模式。以下是Cortex-A核在不同情況下的模式例子：

模式Cortex-A對應情況實際例子
用戶模式低特權應用程序手機上運行的普通APP；Linux用戶空間程序
系統模式高特權操作系統代碼操作系統內核執行特權任務；驅動程序操作硬件
管理模式系統調用處理應用程序通過SWI/SVC請求系統服務；Android的Binder調用
中止模式內存訪問違例處理程序訪問受MMU保護的內存區域；Linux中的段錯誤(SIGSEGV)
未定義模式處理未識別指令程序執行平臺不支持的指令；嘗試執行NEON指令但硬件不支持
快速中斷模式高優先級外設中斷DMA傳輸完成；高速存儲器控制器中斷；顯示刷新中斷
中斷模式普通外設中斷處理觸摸屏輸入；按鍵中斷；傳感器數據就緒中斷
監視模式TrustZone安全世界安全認證；指紋處理；支付系統隔離
虛擬機模式虛擬化支持(ARMv7-A)虛擬機管理程序；Docker容器環境切換
Cortex-A與Cortex-M主要區別：

  1. 處理器模式實現:

    • Cortex-A: 完整的7種模式+擴展模式，通過CPSR控制
    • Cortex-M: 簡化為線程模式和處理器模式兩種，通過異常入口管理

  2. 特權級別:

    • Cortex-A: 通過處理器模式區分特權
    • Cortex-M: 明確的特權/非特權狀態區分

  3. 異常處理:

    • Cortex-A: 使用向量表+模式切換
    • Cortex-M: 統一的異常機制，自動保存/恢復上下文
Cortex-A異常處理示例：
// Cortex-A中的異常向量表設置
// 通常在匯編啟動文件中定義
void vectors(void) __attribute__((section("vectors")));
void vectors(void) {asm("b reset_handler");      // 復位處理asm("b undefined_handler");  // 未定義指令asm("b svc_handler");        // 軟件中斷(SVC)asm("b prefetch_handler");   // 取指中止asm("b data_handler");       // 數據中止asm("b unused_handler");     // 未使用asm("b irq_handler");        // 中斷asm("b fiq_handler");        // 快速中斷
}// SVC示例 - Linux系統調用
int main() {int result;// 調用write系統調用(4號)asm("mov r0, #1");          // 文件描述符1(stdout)asm("ldr r1, =message");    // 消息緩沖區asm("mov r2, #13");         // 消息長度asm("mov r7, #4");          // write系統調用號asm("swi #0");              // 執行系統調用asm("mov %0, r0" : "=r" (result));return 0;
}

ARM寄存器集

通用寄存器

ARM架構提供16個32位通用寄存器(R0-R15)，其中R13-R15有特殊用途：

寄存器別名描述使用約定
R0-通用寄存器第一個函數參數，函數返回值
R1-R3-通用寄存器函數參數
R4-R11-通用寄存器需在函數調用間保存
R12IP程序內部暫存寄存器過程調用中臨時使用
R13SP堆棧指針指向當前堆棧頂部
R14LR鏈接寄存器保存子程序返回地址
R15PC程序計數器指向當前執行指令

程序計數器(PC)

PC寄存器(R15)保存當前執行指令的地址。在ARM狀態下，PC指向當前指令地址+8；在Thumb狀態下，PC指向當前指令地址+4。

使用方法：

  • 讀取PC獲得當前指令附近的地址
  • 向PC寫入值實現跳轉
MOV R0, PC      @ 獲取當前PC值
MOV PC, LR      @ 從子程序返回

鏈接寄存器(LR)

LR寄存器(R14)用于存儲子程序返回地址。當執行BL(分支并鏈接)指令時，返回地址被自動保存到LR中。

使用方法：

  • 調用子程序前保存LR(如果子程序內還會調用其他函數)
  • 子程序返回時將LR的值復制到PC
PUSH {LR}       @ 保存返回地址
BL subroutine   @ 調用子程序
POP {PC}        @ 恢復返回地址并返回

堆棧指針(SP)

SP寄存器(R13)指向當前堆棧頂部。ARM通常采用滿遞減(Full Descending)堆棧，即SP指向最后一個已入棧的數據項。

使用方法：

  • PUSH操作前先減少SP，再存儲
  • POP操作先加載，再增加SP
PUSH {R0-R3}    @ 將R0-R3壓入堆棧
POP {R0-R3}     @ 從堆棧彈出到R0-R3

狀態寄存器(CPSR/SPSR)

當前程序狀態寄存器(CPSR)和保存的程序狀態寄存器(SPSR)包含處理器狀態信息。

CPSR字段：

  • 條件標志(N,Z,C,V)：用于條件執行
  • 控制位：處理器模式、中斷禁用標志、指令集狀態等

條件標志：

  • N(負數)：結果為負
  • Z(零)：結果為零
  • C(進位)：產生進位
  • V(溢出)：有符號溢出
CMP R0, R1      @ 比較R0和R1，設置條件標志
ADDPL R0, R0, #1 @ 如果結果非負(N=0)則執行加法

協處理器寄存器

ARM架構支持協處理器擴展，包括CP15系統控制協處理器。CP15寄存器控制緩存、MMU、系統控制和配置。

訪問方法：

MRC p15, 0, R0, c1, c0, 0  @ 讀取CP15 c1寄存器到R0
MCR p15, 0, R0, c1, c0, 0  @ 寫入R0到CP15 c1寄存器

NEON和VFP寄存器

現代ARM架構包含NEON和VFP(向量浮點)擴展，提供額外的寄存器用于SIMD和浮點運算：

  • 32個64位寄存器(D0-D31)
  • 也可視為16個128位寄存器(Q0-Q15)
VMOV.F32 S0, #1.0        @ 加載浮點常量到S0
VADD.F32 S0, S0, S1      @ 浮點加法
VLDM R0, {D0-D3}         @ 加載多個64位寄存器

寄存器使用規范

ARM架構定義了AAPCS(ARM架構過程調用標準)規范：

  • R0-R3：參數傳遞和結果返回，調用者保存
  • R4-R11：局部變量，被調用者保存
  • R12(IP)：內部過程調用暫存，調用者保存
  • R13(SP)：堆棧指針，被調用者保存
  • R14(LR)：鏈接寄存器，被調用者保存
  • R15(PC)：程序計數器

參數傳遞機制

當函數參數超過4個時，ARM采用以下策略：

  • 前4個參數通過R0-R3寄存器傳遞
  • 額外的參數通過棧傳遞，從右到左入棧
  • 參數在棧上按照4字節對齊
  • 被調用者負責從棧上獲取額外參數

示例：調用有6個參數的函數func(a, b, c, d, e, f)

MOV R0, #1          @ 第一個參數 a
MOV R1, #2          @ 第二個參數 b
MOV R2, #3          @ 第三個參數 c
MOV R3, #4          @ 第四個參數 d
PUSH {R5, R6}       @ 將第五和第六個參數入棧 (f先入棧，e后入棧)
MOV R5, #6          @ 第六個參數 f (先入棧)
MOV R6, #5          @ 第五個參數 e (后入棧)
PUSH {R5, R6}
BL func             @ 調用函數
ADD SP, SP, #8      @ 調用完成后恢復棧(清理參數)

對于返回值：

  • 32位或更小的返回值保存在R0中
  • 64位返回值使用R0和R1
  • 更大的結構體通過引用返回，調用者提供內存地址作為隱式第一個參數

常見ARM指令與寄存器操作

數據處理指令：

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

內存訪問指令：

LDR R0, [R1]        @ 從R1指向的地址加載到R0
STR R0, [R1, #4]    @ 存儲R0到R1+4指向的地址
LDMIA R1!, {R0-R4}  @ 多寄存器加載，遞增后更新R1
STMDB R13!, {R0-R3} @ 多寄存器存儲，遞減前更新R13

分支指令：

B label             @ 無條件分支
BL function         @ 分支并鏈接(調用子程序)
BX LR               @ 分支并切換狀態(常用于返回)
CMP R0, #0          @ 比較R0與0
BEQ zero_label      @ 相等時分支

條件執行：

ADDEQ R0, R0, R1    @ 當Z=1時執行加法
MOVNE R0, #0        @ 當Z=0時執行賦值

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