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ARM
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2021-11-30 14:12:16
1.ARM 有7个基本工作模式:
各种模式的切换，可以是程序员通过代码主动切换（通过写CPSR寄存器），也可以是CPU在某些情况下自动切换。
各种模式下权限和可以访问的寄存器不同
操作系统有安全级别要求，因此CPU设计多种模式是为了方便操作系统的多种角色安全等级需要。
- User : 非特权模式，大部分任务执行在这种模式
- FIQ : 当一个高优先级（fast) 中断产生时将会进入这种模式
- IRQ : 当一个低优先级（normal) 中断产生时将会进入这种模式
- Supervisor :当复位或软中断指令执行时将会进入这种模式
- Abort : 当存取异常时将会进入这种模式
- Undef : 当执行未定义指令时会进入这种模式
- System : 使用和User模式相同寄存器集的特权模式
2.ARM的37个寄存器
ARM是IO与内存统一编址的，
- ARM总共有37个寄存器，都是32位长度，37个寄存器中30个为“通用”型，1个固定用作PC，一个固定用作CPSR，5个固定用作5种异常模式下的SPSR。但是每种模式下最多只能看到18个寄存器，其他寄存器虽然名字相同但是在当前模式不可见。
- 对r13这个名字来说，在ARM中共有6个名叫r13（又叫sp）的寄存器，但是在每种特定处理器模式下，只有一个r13是当前可见的，其他的r13必须切换到它对应的模式下才能看到。这种设计叫影子寄存器（banked register）。
- CPSR中各个bit位表明了CPU的某些状态信息，这些信息非常重要，和后面学到的汇编指令息息相关（譬如BLE指令中的E就和CPSR中的Z标志位有关）
- CPSR中的I、F位和开中断、关中断有关
- CPSR中的mode位（bit4～bit0共5位）决定了CPU的工作模式，在uboot代码中会使用汇编进行设置。
- SPSR是用来保存CPSR的
- PC（r15）程序控制寄存器
- PC（Program control register）为程序指针，PC指向哪里，CPU就会执行哪条指令（所以程序跳转时就是把目标地址代码放到PC中）
- 整个CPU中只有一个PC（CPSR也只有一个，但SPSR有5个）
3. ARM异常处理方式
正常工作之外的流程都叫异常，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。中断是异常的一种
发生异常后CPU会进入相应的工作模式，与异常相关的工作模式有5种
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。
CPU设计时提供的异常向量表，一般称为一级向量表。有些CPU为了支持多个中断，还会提供二级中断向量表
- 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。
- 异常处理机制（这些操作只能在 ARM 态执行）
- 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_
- 设置 PC 为相应的异常向量
- 改变处理器状态进入 ARM 态（Thumb态下没法进行异常处理）
- 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)
- 当异常产生时, ARM core:
- 返回时, 异常处理需要:
4.汇编语言
4.1 指令与伪指令
（汇编）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。
（汇编）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。
- gnu汇编中的符号
- @ 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
- 常用伪指令
- .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 @定义变量类型
- .quad .float .string @ 定义数据
- .align 4 @ 以16字节对齐， 2^4
- .balignl 16 0xabcdefgh @16字节对齐填充 b表示位填充；align表示对齐，l表示long，以4字节为单位填充；16表示16字节对齐；0xabcdefgh为填充材料
- .equ @ 类似于C中宏定义
- 偶尔会用到的gnu伪指令
- .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thumb指令
- 最重要的伪指令
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
- ldr 大范围的地址加载指令
- adr 小范围的地址加载指令
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。
- adrl 中等范围的地址加载指令
- nop 空操作
4.2 汇编特点
- LDR/STR架构
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。ldr reg memeory
- str（store register）指令将寄存器内容存入内存空间中。str reg memory
- ldr/str组合用来实现 ARM CPU和内存数据交换
4.3 8种寻址方式
- 寄存器寻址 mov r1, r2
- 立即寻址 mov r0, #0xFF00
- 寄存器移位寻址 mov r0, r1, lsl #3
- 寄存器间接寻址 ldr r1, [r2] //将r2中的内存地址处的值赋值给r1
- 基址变址寻址 ldr r1, [r2, #4] //将r2中的内存地址+4处的值赋值给r1
- 多寄存器寻址 ldmia r1!, {r2-r7, r12} //以r1存储的内存地址为起始地址，依次将地址后面的八个值赋值给r2-r7和r12共7个寄存器
- 堆栈寻址 stmfd sp!, {r2-r7, lr} //堆栈操作
- 相对寻址 beq flag //
4.4 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：
- 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
- 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
4.5 条件执行后缀
- 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。
4.6 多级指令流水线
为增加处理器指令流的速度，ARM使用多级流水线.，允许多个操作同时处理，而非顺序执行。PC指向正被取指的指令，而非正在执行的指令
4.7 常用指令
- 数据处理指令
- 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
- cpsr访问指令 mrs & msr
CPSR寄存器比较特殊，需要专门的指令访问，mrs用来读psr，msr用来写psr
- 跳转(分支)指令 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；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。
- 访存指令 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]
- swp r1, r1, [r0]
- 软中断指令 swi（software interrupt）
软中断指令用来实现操作系统中系统调用
- 协处理器cp15操作指令 mcr & mrc
协处理器：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设计上支持多达16个协处理器，但是一般SoC只实现其中的CP15（cp：coprocessor）。协处理器和MMU、cache、TLB等处理有关，功能上和操作系统的虚拟地址映射、cache管理等有关。
- mrc用于读取CP15中的寄存器
- mcr用于写入CP15中的寄存器
- 使用方法
- mcr{} p15, , , , , {}
- 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
- 举例
- mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0
- orr r0, r0, #1
- mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0
- 多寄存器访问指令
- 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（store register mutiple）/ldm(load register mutiple)
- {} Rb{!}, <寄存器 list> //内存块 ==》寄存器列表
- {} Rb{!}, <寄存器 list> //寄存器列表 ==》内存块
- 1
- 2
- 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
- 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
- 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
- 8种后缀
- 4种栈
- ！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。
5. 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。
- 合法立即数：经过任意位数的移位后非零部分可以用8位表示的即为合法立即数
1.ARM 有7个基本工作模式:
各种模式的切换，可以是程序员通过代码主动切换（通过写CPSR寄存器），也可以是CPU在某些情况下自动切换。
各种模式下权限和可以访问的寄存器不同
操作系统有安全级别要求，因此CPU设计多种模式是为了方便操作系统的多种角色安全等级需要。
- User : 非特权模式，大部分任务执行在这种模式
- FIQ : 当一个高优先级（fast) 中断产生时将会进入这种模式
- IRQ : 当一个低优先级（normal) 中断产生时将会进入这种模式
- Supervisor :当复位或软中断指令执行时将会进入这种模式
- Abort : 当存取异常时将会进入这种模式
- Undef : 当执行未定义指令时会进入这种模式
- System : 使用和User模式相同寄存器集的特权模式
2.ARM的37个寄存器
ARM是IO与内存统一编址的，
- ARM总共有37个寄存器，都是32位长度，37个寄存器中30个为“通用”型，1个固定用作PC，一个固定用作CPSR，5个固定用作5种异常模式下的SPSR。但是每种模式下最多只能看到18个寄存器，其他寄存器虽然名字相同但是在当前模式不可见。
- 对r13这个名字来说，在ARM中共有6个名叫r13（又叫sp）的寄存器，但是在每种特定处理器模式下，只有一个r13是当前可见的，其他的r13必须切换到它对应的模式下才能看到。这种设计叫影子寄存器（banked register）。
- CPSR中各个bit位表明了CPU的某些状态信息，这些信息非常重要，和后面学到的汇编指令息息相关（譬如BLE指令中的E就和CPSR中的Z标志位有关）
- CPSR中的I、F位和开中断、关中断有关
- CPSR中的mode位（bit4～bit0共5位）决定了CPU的工作模式，在uboot代码中会使用汇编进行设置。
- SPSR是用来保存CPSR的
- PC（r15）程序控制寄存器
- PC（Program control register）为程序指针，PC指向哪里，CPU就会执行哪条指令（所以程序跳转时就是把目标地址代码放到PC中）
- 整个CPU中只有一个PC（CPSR也只有一个，但SPSR有5个）
3. ARM异常处理方式
正常工作之外的流程都叫异常，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。中断是异常的一种
发生异常后CPU会进入相应的工作模式，与异常相关的工作模式有5种
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。
CPU设计时提供的异常向量表，一般称为一级向量表。有些CPU为了支持多个中断，还会提供二级中断向量表
- 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。
- 异常处理机制（这些操作只能在 ARM 态执行）
- 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_
- 设置 PC 为相应的异常向量
- 改变处理器状态进入 ARM 态（Thumb态下没法进行异常处理）
- 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)
- 当异常产生时, ARM core:
- 返回时, 异常处理需要:
4.汇编语言
4.1 指令与伪指令
（汇编）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。
（汇编）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。
- gnu汇编中的符号
- @ 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
- 常用伪指令
- .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 @定义变量类型
- .quad .float .string @ 定义数据
- .align 4 @ 以16字节对齐， 2^4
- .balignl 16 0xabcdefgh @16字节对齐填充 b表示位填充；align表示对齐，l表示long，以4字节为单位填充；16表示16字节对齐；0xabcdefgh为填充材料
- .equ @ 类似于C中宏定义
- 偶尔会用到的gnu伪指令
- .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thumb指令
- 最重要的伪指令
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
- ldr 大范围的地址加载指令
- adr 小范围的地址加载指令
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。
- adrl 中等范围的地址加载指令
- nop 空操作
4.2 汇编特点
- LDR/STR架构
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。ldr reg memeory
- str（store register）指令将寄存器内容存入内存空间中。str reg memory
- ldr/str组合用来实现 ARM CPU和内存数据交换
4.3 8种寻址方式
- 寄存器寻址 mov r1, r2
- 立即寻址 mov r0, #0xFF00
- 寄存器移位寻址 mov r0, r1, lsl #3
- 寄存器间接寻址 ldr r1, [r2] //将r2中的内存地址处的值赋值给r1
- 基址变址寻址 ldr r1, [r2, #4] //将r2中的内存地址+4处的值赋值给r1
- 多寄存器寻址 ldmia r1!, {r2-r7, r12} //以r1存储的内存地址为起始地址，依次将地址后面的八个值赋值给r2-r7和r12共7个寄存器
- 堆栈寻址 stmfd sp!, {r2-r7, lr} //堆栈操作
- 相对寻址 beq flag //
4.4 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：
- 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
- 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
4.5 条件执行后缀
- 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。
4.6 多级指令流水线
为增加处理器指令流的速度，ARM使用多级流水线.，允许多个操作同时处理，而非顺序执行。PC指向正被取指的指令，而非正在执行的指令
4.7 常用指令
- 数据处理指令
- 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
- cpsr访问指令 mrs & msr
CPSR寄存器比较特殊，需要专门的指令访问，mrs用来读psr，msr用来写psr
- 跳转(分支)指令 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；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。
- 访存指令 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]
- swp r1, r1, [r0]
- 软中断指令 swi（software interrupt）
软中断指令用来实现操作系统中系统调用
- 协处理器cp15操作指令 mcr & mrc
协处理器：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设计上支持多达16个协处理器，但是一般SoC只实现其中的CP15（cp：coprocessor）。协处理器和MMU、cache、TLB等处理有关，功能上和操作系统的虚拟地址映射、cache管理等有关。
- mrc用于读取CP15中的寄存器
- mcr用于写入CP15中的寄存器
- 使用方法
- mcr{} p15, , , , , {}
- 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
- 举例
- mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0
- orr r0, r0, #1
- mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0
- 多寄存器访问指令
- 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（store register mutiple）/ldm(load register mutiple)
- {} Rb{!}, <寄存器 list> //内存块 ==》寄存器列表
- {} Rb{!}, <寄存器 list> //寄存器列表 ==》内存块
- 1
- 2
- 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
- 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
- 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
- 8种后缀
- 4种栈
- ！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。
5. 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。
- 合法立即数：经过任意位数的移位后非零部分可以用8位表示的即为合法立即数
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