ARM编程模型 - 技术栈

ARM 工作模式

前5种称为异常模式，用来处理系统异常
前6种称为特权模式
system模式是为了解决同类型异常嵌套而设计的。例如IRQ模式下执行了子函数调用，会把返回地址保存到LR_寄存器。此时如果又产生了IRQ异常，硬件自动会把异常执行完的返回地址保存到LR_,覆盖掉了子函数调用后的返回地址。为此，ARMv4及之后的版本提供了system mode这样一种处理器模式来解决这个问题
System mode是一种特权模式，而且共用User模式的所有寄存器

注意：System mode不是因为发生了某种异常处理器自动进入的模式，而是异常处理函数通过修改CPSR来进入的

四种工作状态：
- ARM 状态，执行ARM指令（32bit）
- Thumb状态，执行Thumb指令（16bit）
- ThumbEE状态， 16bit、32bit的混合指令
- Jazelle状态，对JAVA代码执行加速
程序执行时可以完成ARM状态和THUMB的切换。执行异常处理时，应该工作于ARM状态

ARM核中有37个32bit的寄存器
其中31个通用寄存器，分别被命名为r0 r1 r2 ... r15
1个cpsr寄存器、5个spsr寄存器
每种工作模式下只能访问37个寄存器的一个子集
通用寄存器的说明
- r13(sp, 栈指针寄存器)
- r14(lr, 保存函数的返回地址)
- r15(pc, 保存取指令的地址)
cpsr/spsr的说明
- cpsr, currented Program Statued Register：当前程序状态寄存器
- spsr, Saved Program Statued Register：cpsr的备份寄存器

异常名称	产生原因	CPU 进入的工作模式
Reset（复位异常）	按下复位键、系统上电	SVC
Undefined Instruction （未定义指令异常）	处理器遇到无法识别的指令	Undefined
SWI (软中断异常)	执行软中断汇编指令	SVC
Prefetch Abort (预取终止异常)	取指令时访问了非法地址	Abort
Data Abort (数据终止异常)	取数据时访问了非法地址	Abort
IRQ（中断异常）	硬件（按键、定时器...）产生中断信号	IRQ
FIQ (快速中断异常)	硬件（DMA...）产生快速中断信号	FIQ

硬件操作步骤	具体行为	作用说明
1. 状态保存	拷贝当前 `CPSR`（当前程序状态寄存器）的内容到对应异常模式下的 `SPSR_<mode>`（保存程序状态寄存器）	保存异常发生前的 CPU 状态，方便异常处理完成后恢复
2. 修改 CPSR	+ 设置 `CPSR.I=1`（关闭 IRQ 普通中断）、`CPSR.F=1`（关闭 FIQ 快速中断） + 设置 `CPSR.T=0`（强制进入 ARM 指令模式，异常处理代码不能用 Thumb 指令 + 修改 `CPSR.mode`为对应异常的工作模式（如 IRQ 模式、SVC 模式）	避免异常处理过程中被其他中断打断，同时切换到异常处理所需的工作模式
3. 保存返回地址	将异常返回地址写入对应异常模式下的 `LR_<mode>`（链接寄存器）	记录异常发生前的执行位置，异常处理完成后通过 LR 返回原程序
4. 跳转异常向量	给 `PC`（程序计数器）赋值为异常向量表中对应异常的固定地址（如复位异常是 0x00、IRQ 是 0x18）	让 CPU 跳转到异常处理程序的入口地址，开始执行软件处理逻辑

现场保护：将异常处理过程中会用到的通用寄存器（如 R0-R12）保存到栈中（不同异常模式有独立的栈，需提前初始化），避免覆盖原程序的寄存器值
执行异常处理逻辑：根据异常类型执行具体处理（如 IRQ 中断处理硬件事件、数据终止异常处理地址错误）
恢复现场：从栈中恢复之前保存的通用寄存器值
异常返回：
- 从 SPSR_ 恢复 CPSR（恢复异常前的 CPU 状态）；
- 从 LR_ 修正后的值恢复 PC（不同异常的 LR 需要偏移不同值，如 IRQ 异常 LR 需减 4），跳回原程序继续执行

异常名称	产生原因	CPU进入的工作模式	PC赋值
Reset	按下复位键、系统上电	SVC	PC = vec_base + 0x00
Undefined Instruction	处理器遇到无法识别的指令	Undefined	PC = vec_base + 0x04
SWI	执行软中断汇编指令	SVC	PC = vec_base + 0x08
Prefetch Abort	取指令时访问了非法地址	Abort	PC = vec_base + 0x0c
Data Abort	取数据时访问了非法地址	Abort	PC = vec_base + 0x10
IRQ	硬件（按键、定时器...）产生中断信号	IRQ	PC = vec_base + 0x18
FIQ	硬件（DMA...）产生快速重点信号	FIQ	PC = vec_base + 0x1c

异常产生后，跳转的位置是一片连续的内存。而在这片内存中留给处理每种异常的代码空间只有四字节（一条ARM指令）
该条指令只能是放跳转指令，当异常产生时，跳转到该位置，而该位置上存储的也是一条跳转指令，使得继续跳转到更广阔的空间，在该广阔空间中分别放置对应异常处理代码。而存储了跳转指令的这片连续的内存就称作异常向量表了

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Byte ---> 字节 ---> 8bits(1字节)
Half word ---> 半字 ---> 16bits(2字节)
word ---> 字 ---> 32bits(4字节)
Doubleword --->双字 ---->64bits(8字节)

对齐方式
- 数据本身是多少字节在内存存储时就应该多少字节对齐（超过4字节的按4字节对齐）
- 例如半字是2字节数据，就应该放置在2字节对齐的内存中
- 字是4字节数据，就应该放置在4字节对齐的内存中。
- 双字放置在4字节对齐的内存中（比较特殊）

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int a = 0x12345678; 
 地址  大 小
 0x100 12 78
 0x101 34 56
 0x102 56 34
 0x103 78 12