历史上的今天

今天是：2025年04月05日（星期六）

2020年04月05日 | ARM体系结构（1）- 工作模式与工作状态

2020-04-05 来源：eefocus

1. ARM的工作模式

用户模式(usr)：属于正常的用户模式，ARM处理器正常的程序执行状态。

快速中断模式(fiq)：用于处理快速中断，对高速数据传输或通道处理。

外部中断模式(irq)：对一般情况下的中断进行处理。

管理模式(svc)：属于操作系统使用的保护模式，处理软件中断swi reset。

数据访问终止模式(abt)：当数据或指令预取终止时进入该模式，可用于处理存储器故障、实现虚拟存储器和存储器保护。

系统模式(sys)：运行具有特权的操作系统任务。

未定义指令中止模式(und)：处理未定义的指令陷阱，当未定义的指令执行时进入该模式，可用于支持硬件协处理器的软件仿真。

模式的改变可由软件控制，或者由外部中断或进入异常引起。大部分应用程序都将在用户模式执行。被称为特权模式的非用户模式，都将进入到中断服务或异常中去，或者访问受保护的资源

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。

缺页异常、中断和系统调用同属arm异常处理

1.1 异常跳转过程

异常向量表

所有的CPU都有异常向量表，这是CPU设计时就设定好的，是硬件决定的。当异常发生时，CPU会自动动作（PC跳转到异常向量处处理异常，有时伴有一些辅助动作）异常向量表是硬件向软件提供的处理异常的支持。

异常产生时

做好保护现场的工作：

（1）把cpsr保存到spsr中，设置适当的cpsr（改变处理器的ARM状态、改变处理器进入相应的异常模式、（视情况）改变中断禁止位禁止相应中断）

（2）保存返回地址到lr

（3）设置pc为相应的异常向量实现跳转。

异常返回时

做好恢复现场工作：

（1）从spsr恢复cpsr

（2）从lr恢复pc

注意：这些操作必须在ARM状态执行

因为：当处理器进行异常处理时，则从异常向量地址开始执行，将自动进入ARM状态。

TIPS:

（1）异常向量表中除了FIQ中断都是4个字节，所以只够存放一段异常处理程序的代码的首地址

（2）FIQ中断为快速中断，其中一个特殊的地方就体现在他的异常向量表(Vector Table)地址在最后一个，所以它可以存放不止4个字节，这样的话FIQ中断可以不用只存放地址，而是把整个异常处理程序放进去，这样就少跳转了一次，加快了中断相应速度。

ARM模式与thumb工作状态下各工作模式的寄存器访问地址

在这里插入图片描述

对应关系

1.2 为什么需要不同的工作模式

不同的工作模式来响应不同的异常，起到管理异常的作用。同时配合操作系统，比如说linux内核可以在不同的模式下，而用户程序不可以，起到权限管理、保护的作用，能够保证系统的正确运行。

2. ARM的工作状态

在ARM的体系结构中，可以工作在三种不同的状态，一是ARM状态，二是Thumb状态及Thumb-2状态，三是调试状态。

ARM状态和Thumb状态可以直接通过某些指令直接切换，都是在运行程序，只不过指令长度不一样而已

2.1 ARM状态

arm处理器工作于32位指令的状态，所有指令均为32位

2.2 thumb状态

arm执行16位指令的状态，即16位状态

2.3 thumb-2状态

这个状态是ARM7版本的ARM处理器所具有的新的状态，新的thumb-2内核技术兼有16位及32位指令，实现了更高的性能，更有效的功耗及更少地占用内存。总的来说，感觉这个状态除了兼有arm和thumb的优点外，还在这两种状态上有所提升，优化。

2.4 调试状态

处理器停机时进入调试状态，使用jtag调试的时候使用。

2.5 arm与thumb间的切换

1、由arm状态切换到thumb

状态将寄存器的最低位设置为1

BX指令：R0[0]=1，则执行BX

R0指令将进入thumb状态

2、由thumb状态切换到ARM状态

寄存器最低位设置为0

BX指令：R0[0]=0，则执行BX

R0指令将进入arm状态

3、ARM处理器复位后开始执行代码时总是只处于ARM状态

Cortex-M3只有Thumb-2状态和调试状态；

由于Thumb-2具有16位/32位指令功能，因此有了thumb-2就无需Thumb了。

另外，具有Thumb-2技术的ARM处理器也无需再ARM状态和Thumb-2状态间进行切换了，因为thumb-2具有32位指令功能。

2.6 为什么需要thumb状态

与ARM指令集相比较，Thumb指令集中的数据处理指令的操作数仍然是32位，指令地址也为32位，但Thumb指令集为实现16位的指令长度，舍弃了ARM指令集的一些特性，如大多数的Thumb指令是无条件执行的，而几乎所有的ARM指令都是有条件执行的；大多数的Thumb数据处理指令的目的寄存器与其中一个源寄存器相同。

由于Thumb指令的长度为16位，即只用ARM指令一半的位数来实现同样的功能，所以，要实现特定的程序功能，所需的Thumb指令的条数较ARM指令多。在一般的情况下，Thumb指令与ARM指令的时间效率和空间效率关系为：

— Thumb代码所需的存储空间约为ARM代码的60％～70％

— Thumb代码使用的指令数比ARM代码多约30％～40％

— 若使用32位的存储器，ARM代码比Thumb代码快约40％

— 若使用16位的存储器，Thumb代码比ARM代码快约40％～50％

— 与ARM代码相比较，使用Thumb代码，存储器的功耗会降低约30％

显然，ARM指令集和Thumb指令集各有其优点，若对系统的性能有较高要求，应使用32位的存储系统和ARM指令集，若对系统的成本及功耗有较高要求，则应使用16位的存储系统和Thumb指令集。当然，若两者结合使用，充分发挥其各自的优点，会取得更好的效果。

ARM 体系结构工作模式工作状态

上一篇:ARM的7种运行模式和37个寄存器

下一篇:JZ2440移植uboot