1. ARMv7架构概述：从历史到核心寄存器
各位同学，今天咱们正式进入ARMv7的世界。在开始动手配置MMU之前，我觉得有必要先把ARM的来龙去脉讲清楚。毕竟，你连CPU的“家底”都不了解，后面调起寄存器来心里肯定没底。
ARM公司成立于1990年，最初是Acorn、Apple和VLSI的合资企业。我当年刚入行时，ARM还只是嵌入式圈子里的小众选择，谁能想到今天它几乎统治了移动设备和物联网。说白了，ARM的成功靠的不是性能极致，而是低功耗和灵活的授权模式——你买IP核自己改，比自己从头造CPU划算太多了。
1.1 ARMv7三大系列：A/R/M
ARMv7架构分成了三个方向，每个方向针对不同的应用场景。我经常看到新手搞混它们，这里先列个表：
| 系列 | 全称 | 典型应用 | 关键特性 |
|---|---|---|---|
| ARMv7-A | Application | 手机、平板、路由器 | MMU、多核、NEON、TrustZone |
| ARMv7-R | Real-time | 汽车刹车、工业控制 | MPU、低延迟中断、紧耦合内存 |
| ARMv7-M | Microcontroller | STM32、传感器节点 | 无MMU/MPU、硬件堆栈、位带操作 |
咱们这门课主要讲ARMv7-A，因为只有A系列才有完整的MMU，才能跑Linux这样的操作系统。R系列虽然也有MPU，但那是给实时系统用的，不支持虚拟地址。M系列嘛……说实话，我早期做单片机项目时经常用，但它的寄存器模型和A系列差别很大，后面我们不会涉及。
核心观点：ARMv7-A是唯一支持虚拟内存和操作系统的系列。如果你要做嵌入式Linux或Android底层，必须吃透A系列。
1.2 ARMv7核心寄存器组详解
好了，咱们来看ARMv7-A的寄存器。这是你写汇编、配置MMU、处理异常的基础。ARMv7-A有16个通用寄存器（R0-R15），外加CPSR和SPSR。嗯，这里要注意：R15其实不是通用寄存器，它是PC（程序计数器）。
1.2.1 通用寄存器 R0-R14
- R0-R3：参数传递和临时变量。函数调用时，前4个参数放这里。我习惯把R0当累加器用，但要注意别被函数调用冲掉。
- R4-R11：变量寄存器。函数内部要保存的变量通常放这里。R11是FP（帧指针），不过现在编译器更喜欢用R7做FP。
- R12：IP（过程间调用暂存寄存器）。链接器有时会用，别乱动。
- R13：SP（栈指针）。这个不用多说，栈操作全靠它。
- R14：LR（链接寄存器）。调用子程序时，返回地址自动存这里。
个人经验：我调试过一块板子，中断服务程序里忘了保存LR，结果返回时直接飞了。从那以后，我写中断处理第一件事就是压栈R0-R3和LR。
1.2.2 R15：PC（程序计数器）
R15就是PC。ARMv7-A里，PC指向当前指令+8（因为流水线）。你读PC的值时，得到的是当前指令地址+8；写PC就是跳转。我曾经见过新手直接写MOV R15, #0x8000来跳转，结果因为没对齐导致异常——ARM指令必须4字节对齐。
; 正确的跳转方式
LDR R0, =0x8000
BX R0 ; 跳转并切换指令集（如果R0的bit0=1，切Thumb）
; 错误的写法（不推荐）
MOV R15, #0x8000 ; 可能产生对齐异常1.2.3 CPSR（当前程序状态寄存器）
CPSR是ARMv7里最重要的控制寄存器。它记录了当前处理器的状态、中断屏蔽位、条件标志。我把它拆成几个字段：
| 位域 | 名称 | 作用 |
|---|---|---|
| [31:28] | N, Z, C, V | 条件标志：负数、零、进位、溢出 |
| [27:25] | Q, IT, J | 饱和标志、If-Then块状态、Jazelle状态 |
| [24:8] | 保留/GE | SIMD大于等于标志，一般不用管 |
| [7:6] | E, A | 大小端控制、异步中止屏蔽 |
| [5] | T | Thumb状态：0=ARM指令，1=Thumb指令 |
| [4:0] | M[4:0] | 处理器模式：0x10=User, 0x11=FIQ, 0x12=IRQ, 0x13=SVC, 0x17=Abort, 0x1B=Undef, 0x1F=System |
避坑指南：我曾经在中断里直接修改CPSR的M位来切换模式，结果忘了保存旧模式，返回时系统崩溃。正确的做法是：通过异常进入自动切换模式，不要手动改M位，除非你很清楚自己在做什么。
1.2.4 SPSR（保存的程序状态寄存器）
SPSR是异常模式的专属寄存器。当发生异常（比如IRQ、FIQ、SVC）时，硬件会自动把当前CPSR复制到SPSR_MOVS PC, LR或SUBS PC, LR, #4恢复CPSR。说白了，SPSR就是CPSR的“快照”，帮你安全返回。
每个异常模式都有自己的SPSR，但User和System模式没有。为什么？因为这两个模式不会主动触发异常，不需要保存状态。
1.3 知识结构总览
下面这张图把ARMv7-A的寄存器体系和异常模式串起来了。我建议你把它存下来，后面讲MMU配置时会反复用到这些概念。
1.4 寄存器使用注意事项
最后，我总结几个实际项目中容易踩的坑：
- 不要直接修改CPSR的T位：切换ARM/Thumb状态要用BX或BLX指令，直接写CPSR会导致流水线不一致。
- SPSR只在异常模式下有效：在User模式下读SPSR，结果是不可预测的。我见过有人用
MRS R0, SPSR来获取状态，结果读回来一堆垃圾。 - PC对齐：ARM指令必须4字节对齐，Thumb指令2字节对齐。跳转前检查地址的bit0，否则会触发对齐异常。
- LR在嵌套中断中要小心：如果中断里又来了中断，LR会被覆盖。我的习惯是：进中断先压栈LR，出中断再恢复。
总结：ARMv7-A的寄存器设计很精妙——通用寄存器负责数据操作，CPSR控制状态，SPSR保证异常安全返回。理解这套机制，是后面配置MMU、处理中断、编写启动代码的基础。别急，咱们一章一章来。