ARM 架构基础
ARM 架构概述
ARM（Advanced RISC Machine）是一种精简指令集（RISC）架构，广泛应用于嵌入式系统、移动设备和物联网领域。
ARM 处理器系列
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ ARM 处理器系列 │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────────┐│
│ │ Cortex-A 系列 (Application) ││
│ │ 高性能处理器，运行 Linux/Android ││
│ │ Cortex-A53, Cortex-A72, Cortex-A76... ││
│ ├─────────────────────────────────────────────────────────┤│
│ │ Cortex-R 系列 (Real-time) ││
│ │ 实时处理器，汽车电子、医疗设备 ││
│ │ Cortex-R5, Cortex-R7, Cortex-R8... ││
│ ├─────────────────────────────────────────────────────────┤│
│ │ Cortex-M 系列 (Microcontroller) ││
│ │ 微控制器，低功耗、实时控制 ││
│ │ Cortex-M0, Cortex-M3, Cortex-M4, Cortex-M7... ││
│ └─────────────────────────────────────────────────────────┘│
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘上述图示展示了 ARM 处理器系列。
系列对比：
| 系列 | 定位 | 特点 | 典型应用 |
|---|---|---|---|
| Cortex-A | 应用处理器 | 高性能、支持 MMU | 手机、平板 |
| Cortex-R | 实时处理器 | 实时性、可靠性 | 汽车、医疗 |
| Cortex-M | 微控制器 | 低功耗、低成本 | IoT、工业控制 |
ARM 工作模式
ARM 处理器支持多种工作模式，用于处理不同类型的异常：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ ARM 工作模式 (ARMv7-A) │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────────┐│
│ │ 用户模式 (User, usr) - 用户程序运行 ││
│ ├─────────────────────────────────────────────────────────┤│
│ │ 特权模式 (Privileged Modes) ││
│ │ ┌─────────────────────────────────────────────────────┐ ││
│ │ │ 系统模式 (System, sys) - 运行特权操作系统任务 │ ││
│ │ │ 管理模式 (Supervisor, svc) - 系统调用、复位 │ ││
│ │ │ 中止模式 (Abort, abt) - 内存访问异常 │ ││
│ │ │ 未定义模式 (Undefined, und) - 未定义指令异常 │ ││
│ │ │ 中断模式 (IRQ, irq) - 普通中断 │ ││
│ │ │ 快中断模式 (FIQ, fiq) - 快速中断 │ ││
│ │ └─────────────────────────────────────────────────────┘ ││
│ └─────────────────────────────────────────────────────────┘│
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘上述图示展示了 ARM 的工作模式。
模式说明：
| 模式 | 异常类型 | 说明 |
|---|---|---|
| User | - | 用户程序，受限访问 |
| System | - | 特权模式，与 User 共用寄存器 |
| Supervisor | Reset、SVC | 系统调用入口 |
| Abort | Data Abort、Prefetch Abort | 内存访问错误 |
| Undefined | Undefined Instruction | 执行未定义指令 |
| IRQ | IRQ | 普通中断 |
| FIQ | FIQ | 快速中断，更多独立寄存器 |
ARM 寄存器组
通用寄存器
ARM 有 16 个通用寄存器（R0-R15）和程序状态寄存器：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ ARM 寄存器组 │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────────┐│
│ │ R0-R3 : 参数寄存器 / 返回值 ││
│ │ R4-R11 : 通用寄存器（被调用者保存） ││
│ │ R12 (IP) : 过程调用中间寄存器 ││
│ │ R13 (SP) : 栈指针 ││
│ │ R14 (LR) : 链接寄存器（返回地址） ││
│ │ R15 (PC) : 程序计数器 ││
│ ├─────────────────────────────────────────────────────────┤│
│ │ CPSR : 当前程序状态寄存器 ││
│ │ SPSR : 保存的程序状态寄存器（异常模式下） ││
│ └─────────────────────────────────────────────────────────┘│
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘上述图示展示了 ARM 寄存器组。
寄存器用途：
| 寄存器 | 别名 | 用途 |
|---|---|---|
| R0-R3 | a1-a4 | 参数传递、返回值 |
| R4-R11 | v1-v8 | 局部变量 |
| R12 | IP | 过程调用临时寄存器 |
| R13 | SP | 栈指针 |
| R14 | LR | 链接寄存器 |
| R15 | PC | 程序计数器 |
程序状态寄存器 (CPSR)
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ CPSR 寄存器格式 │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────────┐│
│ │ N │ Z │ C │ V │ Q │ Reserved │ I │ F │ T │ Mode ││
│ │ 31 │30 │29 │28 │27 │ 26-8 │ 7 │ 6 │ 5 │ 4-0 ││
│ └─────────────────────────────────────────────────────────┘│
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘上述图示展示了 CPSR 寄存器格式。
标志位说明：
| 标志 | 名称 | 说明 |
|---|---|---|
| N | Negative | 结果为负数 |
| Z | Zero | 结果为零 |
| C | Carry | 进位/借位 |
| V | Overflow | 溢出 |
| Q | Saturation | 饱和 |
| I | IRQ disable | 禁止 IRQ |
| F | FIQ disable | 禁止 FIQ |
| T | Thumb state | Thumb 指令状态 |
| Mode | 处理器模式 | 当前工作模式 |
ARM 异常处理
异常向量表
c
// ARM 异常向量表
0x00: Reset // 复位
0x04: Undefined Instruction // 未定义指令
0x08: Software Interrupt (SWI) // 软件中断
0x0C: Prefetch Abort // 预取指中止
0x10: Data Abort // 数据中止
0x14: Reserved // 保留
0x18: IRQ // 普通中断
0x1C: FIQ // 快速中断上述代码展示了 ARM 异常向量表。
异常处理流程
上述流程图展示了异常处理流程。
异常处理汇编示例：
asm
; IRQ 中断处理
IRQ_Handler:
SUB LR, LR, #4 ; 调整返回地址
PUSH {R0-R12, LR} ; 保存寄存器
; 读取中断控制器，判断中断源
LDR R0, =INTC_BASE
LDR R1, [R0, #INTC_IRQ_STATUS]
; 调用 C 语言中断处理函数
BL handle_irq
POP {R0-R12, LR} ; 恢复寄存器
SUBS PC, LR, #0 ; 返回并恢复 CPSR上述代码展示了 IRQ 中断处理的汇编实现。
ARM 指令集
ARM 指令格式
ARM 指令格式（32 位）：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ Cond │ Opcode │ S │ Rn │ Rd │ Shifter Operand │
│31-28 │27-24 │20 │19-16│15-12│11-0 │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
Cond: 条件码
Opcode: 操作码
S: 是否更新状态标志
Rn: 第一个操作数寄存器
Rd: 目标寄存器
Shifter Operand: 第二个操作数上述图示展示了 ARM 指令格式。
常用指令
asm
; 数据处理指令
MOV R0, #100 ; R0 = 100
ADD R0, R1, R2 ; R0 = R1 + R2
SUB R0, R1, R2 ; R0 = R1 - R2
AND R0, R1, R2 ; R0 = R1 & R2
ORR R0, R1, R2 ; R0 = R1 | R2
CMP R0, R1 ; 比较 R0 和 R1
; 加载/存储指令
LDR R0, [R1] ; R0 = *R1
STR R0, [R1] ; *R1 = R0
LDR R0, [R1, #4] ; R0 = *(R1 + 4)
STR R0, [R1], #4 ; *R1 = R0, R1 += 4
; 分支指令
B label ; 无条件跳转
BL function ; 带链接跳转（调用函数）
BX LR ; 跳转到 LR（函数返回）
; 条件执行
ADDEQ R0, R0, #1 ; 如果相等，R0 += 1
CMP R0, #10
MOVLT R0, #0 ; 如果小于，R0 = 0上述代码展示了 ARM 常用指令。
条件码说明：
| 条件码 | 后缀 | 说明 |
|---|---|---|
| 0000 | EQ | 相等 (Z=1) |
| 0001 | NE | 不相等 (Z=0) |
| 0010 | CS/HS | 无符号大于等于 (C=1) |
| 0011 | CC/LO | 无符号小于 (C=0) |
| 0100 | MI | 负数 (N=1) |
| 0101 | PL | 非负数 (N=0) |
| 0110 | VS | 溢出 (V=1) |
| 0111 | VC | 无溢出 (V=0) |
| 1000 | HI | 无符号大于 (C=1 && Z=0) |
| 1001 | LS | 无符号小于等于 |
| 1010 | GE | 有符号大于等于 (N=V) |
| 1011 | LT | 有符号小于 (N!=V) |
| 1100 | GT | 有符号大于 |
| 1101 | LE | 有符号小于等于 |
| 1110 | AL | 无条件 |
中断控制器
GIC (Generic Interrupt Controller)
ARM 使用 GIC 管理中断：
c
// GIC 寄存器结构
typedef struct {
volatile uint32_t GICD_CTLR; // 分发器控制
volatile uint32_t GICD_TYPER; // 分发器类型
volatile uint32_t GICD_ISENABLER; // 中断使能
volatile uint32_t GICD_ICENABLER; // 中断禁能
volatile uint32_t GICD_ISPENDR; // 中断挂起
volatile uint32_t GICD_ICPENDR; // 中断清除
volatile uint32_t GICD_IPRIORITYR;// 中断优先级
volatile uint32_t GICD_ITARGETSR; // 中断目标
} GICD_Type;
typedef struct {
volatile uint32_t GICC_CTLR; // CPU 接口控制
volatile uint32_t GICC_PMR; // 优先级掩码
volatile uint32_t GICC_IAR; // 中断确认
volatile uint32_t GICC_EOIR; // 中断结束
} GICC_Type;上述代码展示了 GIC 寄存器结构。
中断处理流程：
c
void gic_irq_handler(void) {
uint32_t irq_id = GICC->GICC_IAR; // 读取中断 ID
switch (irq_id) {
case TIMER_IRQ:
timer_handler();
break;
case UART_IRQ:
uart_handler();
break;
default:
printf("Unknown IRQ: %d\n", irq_id);
}
GICC->GICC_EOIR = irq_id; // 结束中断
}上述代码展示了 GIC 中断处理流程。
启动流程
ARM 启动过程
上述流程图展示了 ARM 启动过程。
启动代码示例：
asm
; 启动代码 (start.S)
.global _start
_start:
; 设置向量表
LDR R0, =_vector_table
MCR p15, 0, R0, c12, c0, 0
; 禁用中断
CPSID if
; 设置栈指针
LDR SP, =_stack_top
; 清除 BSS 段
LDR R0, =_bss_start
LDR R1, =_bss_end
MOV R2, #0
bss_loop:
CMP R0, R1
STRLO R2, [R0], #4
BLO bss_loop
; 跳转到 C 语言入口
BL main
; 死循环
halt:
B halt上述代码展示了 ARM 启动汇编代码。
总结
| 概念 | 说明 |
|---|---|
| ARM 系列 | Cortex-A（高性能）、Cortex-R（实时）、Cortex-M（微控制器） |
| 工作模式 | User、System、Supervisor、Abort、Undefined、IRQ、FIQ |
| 寄存器 | R0-R15 通用寄存器、CPSR/SPSR 状态寄存器 |
| 异常处理 | 向量表、保存现场、处理、恢复现场 |
| 指令集 | 数据处理、加载存储、分支、条件执行 |
参考资料
[1] ARM Architecture Reference Manual. ARM Ltd.
[2] ARM System Developer's Guide. Andrew N. Sloss
[3] Cortex-A Series Programmer's Guide. ARM Ltd.