ARM (Advanced RISC Machine) 处理器有几种主要的工作模式:
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用户模式 (User Mode):
- 最低特权级别
- 大多数应用程序在此模式下运行
- 对系统资源的访问受限
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系统模式 (System Mode):
- 高特权级别
- 通常用于操作系统任务
- 可以访问所有系统资源
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管理模式 (Supervisor Mode):
- 介于用户模式和系统模式之间
- 用于某些操作系统功能和设备驱动程序
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中断模式 (IRQ Mode):
- 处理硬件中断
- 快速响应外部事件
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快速中断模式 (FIQ Mode):
- 用于高优先级中断
- 比普通中断模式更快
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未定义指令模式 (Undefined Mode):
- 处理未知或非法指令
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数据中止模式 (Data Abort Mode):
- 处理内存访问错误
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预取中止模式 (Prefetch Abort Mode):
- 处理指令预取错误
这些模式允许ARM处理器有效地管理系统资源、处理异常和中断,以及实现不同级别的系统安全。不同模式有不同的寄存器集和访问权限,使得操作系统能够实现必要的保护和隔离。
ARM处理器使用多种寄存器来进行数据处理和控制。以下是ARM处理器中主要的寄存器类型：
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通用寄存器 (General-Purpose Registers):
- R0 到 R15，共16个32位寄存器
- R13 通常用作栈指针 (SP)
- R14 是链接寄存器 (LR)，用于存储子程序返回地址
- R15 是程序计数器 (PC)
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程序状态寄存器 (Program Status Registers):
- CPSR (Current Program Status Register)：存储当前程序状态
- SPSR (Saved Program Status Register)：在模式切换时保存CPSR的副本
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浮点寄存器 (在支持浮点运算的ARM处理器中):
- 32个单精度或双精度浮点寄存器
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向量寄存器 (在支持NEON指令集的处理器中):
- 用于SIMD (单指令多数据) 操作
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系统控制寄存器:
- 用于控制处理器的各种功能，如缓存、MMU等
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调试寄存器:
- 用于调试和跟踪程序执行
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协处理器寄存器:
- 用于扩展ARM处理器的功能
每种工作模式可能会有自己特定的寄存器集，尤其是对于R13 (SP)和R14 (LR)。这种设计允许快速的上下文切换和异常处理。
CPSR寄存器尤其重要，它包含：
- 条件标志（零、负、进位、溢出）
- 中断禁用位
- 当前处理器模式
- 其他状态和控制位
Thumb指令集和ARM指令集是ARM架构中两种不同的指令编码方式，它们有以下主要区别：
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指令长度：
- ARM指令：固定32位长
- Thumb指令：主要是16位，部分扩展指令（Thumb-2）为32位
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指令密度：
- Thumb指令通常比ARM指令具有更高的代码密度，可以减少程序占用的存储空间
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性能：
- ARM指令通常能提供更高的性能，因为它们可以在一条指令中完成更复杂的操作
- Thumb指令可能需要多条指令来完成同样的操作，但在某些情况下可能因为更好的缓存利用率而表现更好
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寄存器使用：
- ARM指令可以访问所有16个通用寄存器
- 基本Thumb指令只能直接访问低8个寄存器（R0-R7），但Thumb-2扩展了这一限制
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功能覆盖：
- ARM指令集提供了更全面的功能
- Thumb指令集设计为ARM指令集的子集，覆盖最常用的操作
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条件执行：
- ARM指令支持几乎所有指令的条件执行
- 基本Thumb指令只有有限的条件执行支持，但Thumb-2扩展了这一功能
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切换模式：
- 处理器可以在ARM和Thumb模式之间切换
- 通常使用BX（分支并交换）或BLX（分支、链接并交换）指令进行切换
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使用场景：
- ARM模式通常用于性能关键的代码段
- Thumb模式常用于嵌入式系统，以节省存储空间和提高代码密度
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编译器支持：
- 现代编译器能够自动选择使用ARM或Thumb指令，以优化性能和代码大小
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兼容性：
- 所有支持Thumb的处理器也支持ARM指令集，但并非所有ARM处理器都支持Thumb指令集
需要注意的是，随着Thumb-2技术的引入，Thumb指令集的功能得到了显著扩展，缩小了与ARM指令集的差距。