ARM的编程模型

ARM 的编程模型指的是从程序员（特别是汇编程序员和编译器设计者）视角所看到的 ARM 处理器架构。它定义了程序员可以使用的资源、数据操作方式以及规则，主要包括：寄存器组、数据类型、内存访问方式、执行状态和异常处理。

这是一个结构化的总结，便于理解：

一、核心组成部分

1. 寄存器组

这是编程模型的核心，是 CPU 内部的高速存储单元，用于存放指令、数据和地址。

AArch32 (ARMv7 / ARMv8 AArch32 状态)

• 16个 32位 通用寄存器：R0 - R12, R13, R14, R15。
  • R0-R12：通用目的寄存器，用于数据操作。
  • R13 / SP：堆栈指针 (Stack Pointer)，指向当前栈顶。
  • R14 / LR：链接寄存器 (Link Register)，用于保存子程序或函数调用的返回地址。
  • R15 / PC：程序计数器 (Program Counter)，指向下一条要执行的指令。
• 1个 32位 程序状态寄存器：CPSR (Current Program Status Register)
  • 条件标志位 (Condition Flags)：N (Negative), Z (Zero), C (Carry), V (oVerflow)。这些位会根据算术或逻辑运算的结果自动改变，用于条件分支判断。
  • 中断禁用位：I (IRQ disable), F (FIQ disable)。
  • 执行状态位：T (Thumb state bit)，J (Jazelle state bit)。
  • 处理器模式位：指定当前处于哪种模式（User, FIQ, IRQ, etc.）。
• Banked Registers：在不同处理器模式下（如 FIQ, IRQ, SVC），某些寄存器（如 R13, R14）有自己独立的副本。这避免了在处理异常时破坏用户模式的寄存器状态，实现了快速上下文切换。

AArch64 (ARMv8 64位状态)

• 31个 64位 通用寄存器：X0 - X30。
  • X0-X7：常用于参数传递和返回值。
  • X8：间接结果寄存器。
  • X9-X15：临时寄存器。
  • X16-X17：内部过程调用临时寄存器。
  • X18：平台保留寄存器。
  • X19-X28：被调用者保存寄存器。
  • X29：帧指针 (FP)。
  • X30：链接寄存器 (LR)。
• 1个 64位 堆栈指针 (SP)：专用寄存器，不再是通用寄存器之一。
• 1个 64位 程序计数器 (PC)：无法被软件直接访问，只能通过特殊指令（如 BL）修改。
• NZCV 寄存器：PSTATE（相当于 CPSR 的分布式视图）的一部分，独立保存条件标志位。

2. 数据类型与内存访问

• 数据类型：
  • 基本类型：字节 (8-bit)、半字 (16-bit)、字 (32-bit)、双字 (64-bit)。
  • 浮点数：半精度 (16-bit)、单精度 (32-bit)、双精度 (64-bit)。
• 内存访问：
  • 对齐访问：强烈建议字（4字节）访问在4字节对齐的地址上，双字在8字节对齐的地址上，否则可能影响性能或导致异常。
  • 端序 (Endianness)：ARM 处理器通常为小端序 (Little-Endian)，但许多架构也支持可配置的端序或大端序（BE8）。

3. 执行状态与异常级别 (ARMv8-A)

• AArch64：64位执行状态。
  • 提供 31 个 64 位通用寄存器。
  • 使用异常级别 (EL0 - EL3) 来定义特权级别，替代了传统的处理器模式概念。
• AArch32：32位执行状态，提供与 ARMv7-A 的兼容性。
  • 运行传统的 ARM/Thumb 指令。
  • 仍然使用传统的处理器模式（User, FIQ, IRQ, etc.）。

4. 操作模式 (AArch32)

• 用户模式 (User)：非特权模式，运行应用程序。
• 特权模式：包括 FIQ, IRQ, Supervisor (SVC), Abort, Undefined 和 System 模式。用于运行操作系统和异常处理程序。

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二、编程特点

1. 加载/存储架构 (Load/Store Architecture)：

   • 这是 ARM 架构的一个基本原则。
   • 数据处理指令（如 ADD, SUB）只能操作寄存器，不能直接操作内存中的数据。
   • 必须使用专门的加载 (LDR) 指令将数据从内存读到寄存器，处理完后，再用存储 (STR) 指令将结果写回内存。

2. 条件执行 (Conditional Execution)：

   • ARM 指令集中的大多数指令都可以条件化执行。
   • 通过在指令后添加条件码后缀（如 ADDEQ, BNE），指令仅在 CPSR 中的条件标志满足指定条件时才会执行。
   • 这可以减少分支指令的数量，提高代码密度和性能。

3. 桶式移位器 (Barrel Shifter)：

   • 许多 ARM 数据处理指令（如 ADD, MOV）可以将一个操作数进行移位或循环移位后再参与运算，无需额外的时钟周期。
   • 例如：MOV R1, R0, LSL #2 将 R0 的值左移2位（即乘以4）后存入 R1。

4. Thumb / Thumb-2 指令集：

   • Thumb：16位指令集，代码密度高，用于节省内存空间。
   • Thumb-2：混合了 16 位和 32 位指令，在保持高代码密度的同时，提供了接近 ARM 32 位指令集的性能。是现代 ARM Cortex-M 等嵌入式处理器的默认指令集。

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总结

ARM 的编程模型以其简洁、高效和灵活著称。其核心特点包括：

• 规整的寄存器文件和加载/存储架构。
• 强大的条件执行和集成桶式移位器，提高了指令效率。
• 通过 Banked Registers 实现高效的异常处理。
• 提供 Thumb 指令集以实现高代码密度。
• 在 ARMv8 中演进为 AArch64/AArch32 双执行状态和异常级别 (EL) 模型，以支持更复杂的应用场景（如服务器、虚拟化）。

理解 ARM 的编程模型是进行底层系统编程、驱动开发、性能优化和体系结构研究的基础。