2020年04月05日 | 32位ARM处理器的几种工作模式和工作状态

ARM处理器工作模式一共有 7 种 ：

USR模式
正常用户模式，程序正常执行模式

FIQ模式(Fast Interrupt Request)
处理快速中断，支持高速数据传送或通道处理

IRQ模式
处理普通中断

SVC模式（Supervisor）
操作系统保护模式，处理软件中断swi  reset

ABT中止（Abort mode）{数据、指令}
处理存储器故障、实现虚拟存储器和存储器保护

UND未定义（Undefined）
处理未定义的指令陷阱，支持硬件协处理器的软件仿真

SYS系统模式(基本上=USR)（System）
运行特权操作系统任务

用户模式和特权模式

除了用户模式之外的其他6种处理器模式称为特权模式

特权模式下，程序可以访问所有的系统资源，也可以任意地进行处理器模式的切换。

特权模式中，除系统模式外，其他5种模式又称为异常模式。

大多数的用户程序运行在用户模式下，此时，应用程序不能够访问一些受操作系统保护的系统资源，应用程序也不能直接进行处理器模式的切换。

用户模式下，当需要进行处理器模式切换时，应用程序可以产生异常处理，在异常处理中进行处理器模式的切换。

ARM处理的工作状态

在 ARM 处理器中，内核同时支持 32 位的 ARM 指令 和 16 位的 Thumb 指令。

对于 ARM 指令来说，所有的指令长度都是 32 位，并且执行周期大多为单周期，指令都是有条件执行的。

而 THUMB 指令的特点如下：

1、指令执行条件经常不回使用。

2、源寄存器与目标寄存器经常是相同的。

3、使用的寄存器数量比较少。

4、常数的值比较小。

5、内核中的桶式移动器（barrel shifter）经常是不使用的。

也就是说 16 位的 Thumb 指令一般可以完成 和 32 位 ARM 指令相同的任务。

ARM指令和 THUMB指令的关系：

THUMB指令是ARM指令的子集
可以相互调用，只要遵循一定的调用规则
Thumb指令与ARM指令的时间效率和空间效率关系为:
存储空间约为ARM代码的60％～70％
指令数比ARM代码多约30％～40％
存储器为32位时ARM代码比Thumb代码快约40％
存储器为16位时Thumb比ARM代码快约40～50％
使用Thumb代码，存储器的功耗会降低约30％

ARM指令和 THUMB指令之间切换（Interworking）的基本概念和切换时的子函数调用处理器模式可以通过软件进行切换，也可以通过外部中断或者异常处理过程进行切换。

当应用程序发生异常中断时，处理器进入相应的异常模式。在每一种异常模式下都有一组寄存器，供相应的异常处理程序使用，这样就可以保证在进入异常模式时，用户模式下的寄存器不被破坏。

系统模式并不是通过异常进入的，它和用户模式具有完全一样的寄存器。但是系统模式属于特权模式，可以访问所有的系统资源，也可以直接进行处理器模式切换。它主要供操作系统任务使用。通常操作系统的任务需要访问所有的系统资源，同时该任务仍然使用用户模式的寄存器组，而不是使用异常模式下相应的寄存器组，这样可以保证当异常中断发生时任务状态不被破坏。

Thumb指令低密度及窄存储器时性能高的特点使得其在大多数基于 C 代码的系统汇中有非常广泛的应用，但是有些场合中系统只能使用 ARM 指令，比如：

1、如果对于速度有比较高的要求，ARM指令在宽存储器中会提供更高的性能。

2、某些功能只能由 ARM 指令来实现，比如：

访问 CPSR 寄存器来 使能/禁止 中断或改变处理器工作模式；

访问协处理器CP15；

执行 C 代码不支持的 DSP 算术指令；

异常中断（Exception）处理。在进入异常中断后，内核自动切换到 ARM 状态。即在异常中断处理程序人口的一些指令是ARM指令，然后根据需要，程序可以切换到 Thumb 工作状态，在异常中断处理程序返回前，程序在切换到 ARM 工作状态。

注：当处理器处于Thumb状态时发生异常（如IRQ、FIQ、Undef、Abort、SWI等），则异常处理返回时，自动切换到Thumb状态。

ARM 处理器总是 从 ARM 工作状态开始执行的。因此，如果要在调试器重运行 Thumb 程序，必须为 该 Thumb 程序添加一个 ARM程序头，然后再切换到Thumb工作状态，调用该 Thumb程序。

在实际系统中，内核状态需要经常的切换（Interworkong）来满足系统性能要求。具体的切换是通过 Branch Exchange，即 BX 指令来实现的。指令格式为：

Thumb 工作状态        BX                      Rn

ARM     工作状态        BX     Rn

其中Rn可以是寄存器 R0 ~ R15 中的任意一个。指令可以通过将寄存器Rn的内容，拷贝到程序计数器 PC 来完成在 4GB地址空间中的绝对跳转，如果操作数寄存器的状态位 Bit0 = 0，则进入 ARM 工作状态；如果 Bit0 = 1，则进入 Thumb 工作状态。

ARM寄存器一共有 37 个寄存器：

ARM处理器工作工作模式下的寄存器：

不分组寄存器R0～R7
在所有的运行模式下，未分组寄存器都指向同一个物理寄存器，他们未被系统用作特殊的用途，因此，在中断或异常处理进行运行模式转换时，由于不同的处理器运行模式均使用相同的物理寄存器，可能会造成寄存器中数据的破坏，这一点在进行程序设计时应引起注意。

分组寄存器R8～R12
每次所访问的物理寄存器与处理器当前的运行模式有关
R8～R12：每个寄存器对应两个不同的物理寄存器
当使用fiq模式时，访问寄存器R8_fiq～R12_fiq
当使用除fiq模式以外的其他模式时，访问寄存器R8_usr～R12_usr。

R13、R14：每个寄存器对应6个不同的物理寄存器
其中的一个是用户模式与系统模式共用，另外5个物理寄存器对应于其他5种不同的运行模式采用以下的记号来区分不同的物理寄存器：
R13_
R14_
mode为以下几种之一：usr、fiq、irq、svc、abt、und。

堆栈指针—R13/sp

R13在ARM指令中常用作堆栈指针，但这只是一种习惯用法，用户也可使用其他的寄存器作为堆栈指针。

sub    sp, sp, #4       ;reserved for PC
stmfd    sp!, {r8-r9}

由于处理器的每种运行模式均有自己独立的物理寄存器R13，在初始化部分，都要初始化每种模式下的R13，这样，当程序的运行进入异常模式时，可以将需要保护的寄存器放入R13所指向的堆栈，而当程序从异常模式返回时，则从对应的堆栈中恢复。

子程序连接寄存器—R14/lr

R14也称作子程序连接寄存器或连接寄存器LR。当执行BL子程序调用指令时，可以从R14中得到R15（程序计数器PC）的备份。其他情况下，R14用作通用寄存器。

在每一种运行模式下，都可用R14保存子程序的返回地址，当用BL或BLX指令调用子程序时，将PC的当前值拷贝给R14，执行完子程序后，又将R14的值拷贝回PC，即可完成子程序的调用返回。

BL    SUB1
……
SUB1:    
……
MOV PC，LR        /*完成子程序返回等    同于BX LR    */

程序计数器—R15/PC

虽然 R15 也可以用作通用寄存器，但要注意有一些特殊限制，如果违法了这些限制，指令执行的结果将是不可预料的。

程序状态寄存器(CPSR/SPSR)
CPSR(当前程序状态寄存器)
SPSR（备份的程序状态寄存器）

所有处理器模式下都可访问当前的程序状态寄存器CPSR。

CPSR:程序状态寄存器(current program status register) (当前程序状态寄存器)，在任何处理器模式下被访问。它包含了条件标志位、中断禁止位、当前处理器模式标志以及其他的一些控制和状态位。

CPSR在用户级编程时用于存储条件码。

SPSR:程序状态保存寄存器（saved program status register）,每一种处理器模式下都有一个状态寄存器SPSR,SPSR用于保存CPSR的状态，以便异常返回后恢复异常发生时的工作状态。当特定 的异常中断发生时，这个寄存器用于存放当前程序状态寄存器的内容。在异常中断退出时，可以用SPSR来恢复CPSR。由于用户模式和系统模式不是异常中断 模式，所以他没有SPSR。当用户在用户模式或系统模式访问SPSR，将产生不可预知的后果。

CPSR格式如下所示。SPSR和CPSR格式相同 

程序状态寄存器的条件码标志

N、Z、C、V均为条件码标志位。它们的内容可被算术或逻辑运算的结果所改变，并且可以决定某条指令是否被执行
在ARM状态下，绝大多数的指令都是有条件执行的。
在Thumb状态下，仅有分支指令是有条件执行的。

状态寄存器的低8位（I、F、T和M[4：0]）称为控制位，发生异常时这些位可以被改变。如果处理器运行特权模式，这些位也可以由程序修改。

中断禁止位I、F：
I=1   禁止IRQ中断;
F=1   禁止FIQ中断。

T标志位：该位反映处理器的运行状态

ARM体系结构v5及以上的版本的T系列处理器，当该位为1时，程序运行于Thumb状态，否则运行于ARM状态。

ARM体系结构v5及以上的版本的非T系列处理器，当该位为1时，执行下一条指令以引起未定义的指令异常；当该位为0时，表示运行于ARM状态。

运行模式位M[4：0]是模式位，决定处理器的运行模式

THUMB状态下的寄存器组织

Thumb与ARM状态下的寄存器关系

Linux操作系统与ARM工作模式

首先，ARM开发板在刚上电或复位后都会首先进入SVC即管理模式，此时、程序计数器R15-PC值会被赋为0x0000 0000；bootloader就是在此模式下，位于0x0000 0000的NOR FLASH或SRAM中装载的，因此、开机或重启后bootloader会被首先执行。

接着，bootloader引导Linux内核，此时、Linux内核一样运行在ARM的SVC即管理模式下；当内核启动完毕、准备进入用户态init进程时，内核将ARM的当前程序状态CPSR寄存器M[4:0]设置为10000、进而用户态程序只能运行在ARM的用户模式。

由于ARM用户模式下对资源的访问受限，因此、可以达到保护Linux操作系统内核的目的。

需要强调的是：Linux内核态是从ARM的SVC即管理模式下启动的，但在某些情况下、如：硬件中断、程序异常（被动）等情况下进入ARM的其他特权模式，这时仍然可以进入内核态（因为就是可以操作内核了）；同样，Linux用户态是从ARM用户模式启动的，但当进入ARM系统模式时、仍然可以操作Linux用户态程序（进入用户态，如init进程的启动过程）。

即：Linux内核从ARM的SVC模式下启动，但内核态不仅仅指ARM的SVC模式（还包括可以访问内核空间的所有ARM模式）；Linux用户程序从ARM的用户模式启动，但用户态不仅仅指ARM的用户模式。

模式切换

当异常发生，CPU进入相应的异常模式时，以下工作是由CPU自动完成的：

1、在异常模式的R14中保存前一工作模式的下一条即将执行的指令地址；

2、将CPSR的值复制到异常模式的SPSR中；

3、将CPSR的工作模式设为该异常模式对应的工作模式；

4、令PC值等于这个异常模式在异常向量表中的地址，即跳转去执行异常向量表中的相应指令；

从异常工作模式退回到之前的工作模式时，需要由软件来完成以下工作：

1、将异常模式的R14减去一个适当的值（4或8）后赋给PC寄存器；

2、将异常模式SPSR的值赋给CPSR；