一、ARM處理器簡介及RISC特點
ARM處理器簡介
ARM（Advanced RISC Machines）是一個32位RISC（精簡指令集）處理器架構，ARM處理器則是ARM架構下的微處理器。ARM處理器廣泛的使用在許多嵌入式系統。ARM處理器的特點有指令長度固定，執行效率高，低成本等。
RISC設計主要特點
1、指令集——RISC減少了指令集的種類，通常一個周期一條指令，采用固定長度的指令格式，編譯器或程序員通過幾條指令完成一個復雜的操作。而CISC指令集的指令長度通常不固定。
2、流水線——RISC采用單周期指令，且指令長度固定，便於流水線操作執行。
3、寄存器——RISC的處理器擁有更多的通用寄存器，寄存器操作較多。例如ARM處理器具有37個寄存器。
4、Load/Store結構——使用加載/存儲指令批量從內存中讀寫數據，提高數據的傳輸效率。
5、尋址方式簡化，指令長度固定，指令格式和尋址方式種類減少。
二、數據大小和指令集
用於ARM時：
半字（Halfword）表示16位（兩個字節）
字（Word）表示32位（四個字節）
雙字Doubleword表示64位（8字節）
大多數ARM實現兩個指令集
32位ARM指令集
16位Thumb指令集
最新的ARM內核引入了新的指令集Thumb-2
提供32位和16位指令的混合
保持代碼密度，增加靈活性
Jazelle-DBX內核也可以執行Java字節碼
三、ARM處理器存儲格式
32位的微處理器，ARM體系結構所支持的最大尋址空間為4GB,空間划分如下；
用戶空間（0—3G），這段空間映射到物理內存的高端內存
內核空間（3G—4G），這段空間映射到低端內存，這段空間又分為以下四部分，分別為
（a）直接映射區（0—896M）：這段虛擬地址空間和低端內存地址存在線性的地址關系即虛擬地址3G+X=物理地址X
（b）動態映射區（896—1016M）：這段 空間具體映射到物理內存的什么位置不確定，該區域的地址由內核中的vmalloc來實現 分配，其特點是虛擬地址空間連續，但是物理地址空間不一定連續。vmalloc函數返回的是虛擬地址，但是其映射的物理地址有可能在高端內存，也有可能在低端內存。
（c）永久內存映射區（pkmap1016—1020M）:使用kmap函數將高端內存的地址映射到這部分區域，這樣就可以通過這個 虛擬地址來訪問高端內存的地址。通過這4M的窗口可以重復映射所有的高端內存。
（d）固定映射區：（1020—1024M）：這4M的地址是有特定用途的固定地址，這4M的區域映射的物理內存作為ACPI電源管理等寄存器的地址。
ARM64架構處理器采用48位物理尋址，最大可以支持256T的地址空間，對於目前的應用來說已經足夠了。但是虛擬地址依然采用64，虛擬地址遠遠大於物理地址。所以在處理器架構設計上，把虛擬地址空間划分為三部分，分別為用戶空間，非規范區和內核空間，其中內核空間和用戶空間每個部分最大支持256T的訪問。
用戶空間：（0x0000_0000_0000_0000——0x0000_FFFF_FFFF_FFFF）256T
內核空間：（0xFFFF_0000_0000_0000——0xFFFF_FFFF_FFFF_FFFF）256T
其余部分被稱為非規范區域。
內核空間由做了詳細的划分，分為以下部分：
（a）Vmalloc區域：0xFFFF_0000_0000_0000——0xFFFF_7BFF_BFFF_0000（126974G）
（b）Vmemmap區域：0xFFFF_7BFF_C000_0000——0xFFFF_7FFF_C000_0000（4096G）
（c）PCI I/O區域：0xFFFF_7FFF_AE00_0000——0xFFFF_7FFF_BE00_0000（16M）
（d）Moudules區域：0xFFFF_7FFF_C000_0000——0xFFFF_8000_0000_0000（64M）
（e）Normal memory線性映射區：0xFFFF_8000_0000_0000——0xFFFF_FFFF_FFFF_FFFF（128T）
ARM體系結構可以用兩種方法存儲字數據，分別為大端模式和小端模式。
大端模式（高地高低）：字的高字節存儲在低地址字節單元中，字的低字節存儲在高地址字節單元中。
小端模式（高高低低）：字的高字節存儲在高地址字節單元中，字的低字節存儲在低地址字節單元中。
四、內核的工作模式：
ARM有七種基本操作模式：
每種模式都可以訪問自己的堆棧和不同的寄存器子集，某些操作只能在特權模式下執行
1、用戶模式（user）：ARM正常程序執行模式，大多數應用程序/操作系統的模式
2、快速中斷模式（FIQ）：高優先級的中斷產生會進入該種模式，用於高速通道傳輸；
3、外部中斷模式（IRQ）：低優先級中斷產生會進入該模式，用於普通的中斷處理；
4、特權模式（SVC）：CPU復位和軟中斷SWI指令會進入該模式；
5、數據訪問中止模式（Abort）：當內存訪問沖突時會進入該模式；
6、系統模式(System): 用於運行特權級操作系統任務；
7、監控模式（Monitor）：cortex-a8以上cpu特有的模式，主要用於安全方面；
8、未定義指令中止模式（Undefined）：當未定義的指令執行時進入該模式，可用於支持硬件協處理器的軟件仿真。
用戶模式：
應用程序不能夠訪問受操作系統保護的系統資源。
應用程序不能進行處理器模式的切換。
系統模式
不屬於異常模式，不是通過異常進入的。
系統模式屬於特權模式，可以訪問所有的系統資源，也可以直接進行模式的切換。
主要供操作系統使用。
特權模式：
系統復位后進入管理模式，運行系統初始化程序，如中斷允許/禁止，完成各模式的堆棧設置主時鍾設置，SDRAM配置等。
當執行軟件中斷指令SWI時（比如開啟一個新的進程），進入管理模式 。
異常模式：除用戶模式和系統模式外的其他5種處理器模式
以各自的中斷或異常方式進入，並且處理各自的中斷或異常。
特權模式：除用戶模式外的其他6種處理器模式
特權程序可以訪問所有的系統資源，也可以任意的進行處理器模式的切換。
五、寄存器
（１）ARM Cortex-A8處理器有40個32位長的寄存器：
ａ、32個通用寄存器
ｂ、7個狀態寄存器：1個CPSR（當前程序狀態寄存器）
6個SPSR（備份程序狀態寄存器）
ｃ、1個PC（程序計數器）
（２）通用寄存器包括R0-R15，可以分為3類：
Ａ、未分組寄存器R0 – R7：
在所有運行模式下，未分組寄存器都指向同一個物理寄存器，他們未被系統用作特殊的用途。因此在中斷或異常
處理進行異常模式轉換時，由於不同的處理器運行模式均使用相同的物理寄存器，所以可能造成寄存器中數據的破壞。
Ｂ、分組寄存器R8 – R14：
對於分組寄存器，他們每次所訪問的物理寄存器都與當前的處理器運行模式相關。
R13常用作存放堆棧指針，用戶也可以使用其他寄存器存放堆棧指針，稱為SP；
R14稱為鏈接寄存器（LR），當執行子程序時，R14可得到R15（PC）的備份，執行完子程序后，又將R14的值
復制回PC，即使用R14保存返回地址。
Ｃ、程序計數器PC（R15）：
寄存器R15用作程序計數器（PC），在ARM狀態下，位[1:0]為0，位[31:2]用於保存PC；在Thumb狀態下,位[0]為0，
位[31:1]用於保存PC。對於ARM指令集而言，PC總是指向當前指令的下兩條指令的地址，即PC的值為當前指令的
地址值加8個字節。
（４）程序狀態寄存器：
CPSR（Current Program Status Register，當前程序狀態寄存器），CPSR可在任何運行模式下被訪問，它包括
條件標志位、中斷禁止位、當前處理器模式標志位以及其他一些相關的控制和狀態位。包含以下內容：
ALU狀態標志的備份；
當前的處理模式
中斷使能標志；
設置處理的狀態；
每一種運行模式下都有一個專用的物理狀態寄存器，稱為SPSR（Saved Program Status Register，備份的程序
狀態寄存器），當異常發生時，SPSR用於保存當前CPSR的值，從異常退出時則可由SPSR來恢復CPSR。
由於用戶模式和系統模式不屬於異常模式，這兩種狀態下沒有SPSR，因此在這兩種狀態下訪問SPSR，結果是未知的。
六、異常中斷
１、硬件中斷&軟件中斷：
硬件中斷是隨機的，不可預測的
軟件中斷是事先安排的（如workQueue、task）
２、ARM處理器有七種類型的異常：：
（１）復位異常（Reset）：處理器在工作時, 突然按下重啟鍵, 就會觸發該異常;
（２）數據異常（Data Abort）：讀取數據失敗;
（３）快速中斷異常（FIQ）：快速中斷要比普通中斷響應速度要快一些；
（４）外部中斷異常（IRQ）：普通中斷;
（５）預取異常（Prefetch Abort）：預取指令失敗, ARM 在執行指令的過程中, 要先去預取指令准備執行，
如果預取指令失敗, 就會產生該異常；
（６）軟中斷異常（SWI）：軟件中需要去打斷處理器工作, 可以使用軟中斷來執行 ;
（７）未定義指令異常（Undefined Instruction）：處理器無法識別指令的異常, 處理器執行的指令是有規范的,
如果嘗試執行不符合要求的指令, 就會進入到該異常指令對應的地址中；
當異常發生時，分組寄存器R14和SPSR用於保存處理器狀態，
異常返回時，SPSR內容恢復到SPSR，鏈接寄存器R14的內容恢復到程序計數器PC。
下圖中每種異常對應一種內核的工作模式，當然每種異常產生，內核都會進入特定的工作模式；
３、異常處理流程：
（1）中斷響應所做的工作：
Ａ、保存短點：保存下一將要執行的指令的地址，也就是把這個地址送入堆棧；
Ｂ、尋找中斷入口：根據不同的中斷源產生的中斷，查找不同的入口地址；
Ｃ、執行中斷處理程序；
Ｄ、中斷返回：執行完中斷指令后，就從中斷返回到主程序繼續執行；
（2）異常向量表
每一個異常發生時，總是從異常向量表開始跳轉，所謂的異常向量表，是指由7個異常向量及其處理函數跳轉
關系組成的表：
0x00000000: b reset
0x00000004: ldr pc, _undefined_instruction
0x00000008: ldr pc, _software_interrupt
0x00000008: ldr pc, _software_interrupt
0x0000000c: ldr pc, _prefetch_abort
0x00000010: ldr pc, _data_abort
0x00000014: ldr pc, _not_used //保留
0x00000018: ldr pc, _irq
0x0000001c: ldr pc, _fiq
（3）當一個ARM異常返回時，需要完成如下任務：
通用寄存器的恢復；
狀態寄存器的恢復；
PC指針的恢復；
參考：https://blog.csdn.net/frank_zyp/article/details/84646051
https://blog.csdn.net/chengtong222/article/details/64440661