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2021年08月10日 | 1.5.2异常与中断_CPU模式(Mode)_状态(State)与寄存器
2021-08-10 来源：eefocus
CPU模式（Mode）
CPU有七种mode，红框内的为异常模式，另外两种为一种为用户模式，一种为系统模式。其中除了usr用户模式，其余六种模式被称为特权模式（privileged mode），在这六种模式下可以随意切换到任意其他模式（操作CPSR寄存器直接进入其他模式），但在用户模式下不可以直接进入其他模式。
其中，系统模式不会被任何异常触发，并且它使用的是用户模式下的寄存器。然而，它是一种特权模式，不会受到用户模式的限制。系统模式是给操作系统用来操控系统资源的，但希望避免使用与异常模式相关的寄存器，这是为了避免任务状态被任何异常所影响。
下面我们简单介绍一下剩余的五中异常模式：
und（未定义指令异常模式）：当CPU执行到一条它不认识的指令时就会进入该模式；
svc（管理模式）
abt（中止模式）
IRQ（中断模式）：一个中断可以配置为中断模式，也可以配置为快中断模式。
FIQ（快中断模式）
其中，abt（中止模式）又可以分为
指令预取中止（CPU采用流水线操作，CPU执行当前指令时，已经在解析第二条指令，同时读取第三条指令（预取），这个预取有可能出错，如果出错就会进入这个异常模式）
数据访问中止（比如我们想要读写某个地址，这个过程可能会出错，如果出错就会进入该模式）
上图为各个模式下可以使用的寄存器，可以看到，五种异常模式下，有一些寄存器带有三角形图案的阴影，这些叫做banked register（备份寄存器），表示在该模式下，使用的是该模式下专有的寄存器而不是用户模式下的那些寄存器。
MOV R0, R8 //在用户模式下，访问到的是r8寄存器，但是在FIQ模式下，访问到的是r8_fiq寄存器，他们在物理上就不是同一个寄存器（R0都是同样的R0寄存器）
可以看出，他们都有自己的r13和r14寄存器，r13为记录栈地址的寄存器sp，这表示每个模式下，都可以设置它们自己的栈 ，r14为lr寄存器，可以保存发生异常时指令的地址（保存的是从哪里跳过来的地址）。
快中断模式比其他几个异常模式还多了五个专有的寄存器，这是为了在中断发生时可以更快的响应中断。先来回顾一下中断的处理流程，中断处理流程分为以下三步：
保存现场
调用处理程序
恢复现场
假设程序运行于用户模式下，当中断发生时我们需要将用户模式的特有寄存器入栈保存，然后跳到中断模式去处理，由于快中断的r8-r12是自己专有的寄存器，那么r8-r12就不用保存了，这样响应和处理的时间就比正常的IRQ模式要快。
寄存器(CPSR/SPSR)
下面是CPSR/SPSR寄存器（当前的程序状态寄存器Current Program Status Register和保存的程序状态寄存器Saved Program Status Register），其中SPSR保存的是被中断的模式下，CPSR的寄存器。
其中M4-M0表示当前CPU处于哪种模式，我们可以读取M4-M0来判断当前CPU处于哪种模式，也可以修改M4-M0来切换CPU进入哪种模式（用户模式不可以）。M4-M0有一个表，可以通过这个表来查看CPU当前处于哪种模式。
bit5（T）表示CPU工作与ARM State还是Thumb State。
bit6（F）为快中断使能位，为1表示禁止所有快中断。
bit7（I）为中断使能位，为1表示禁止所有中断。
bit8-bit27为保留位。
bit28-bit31为状态位，一般cmp这些比较指令会改变这些状态位。比如cmp r0, r1，这条指令就会影响Z位。
当异常发生时，处理流程如上图所述，这是由硬件帮我们完成的。
保存被中断的下一条指令地址到LR_异常，在ARM State下保存的是PC+8，在Thumb State下保存的是PC+4；
把CPSR存入SPSR_异常；
修改CPSR的[M4:M0]进入异常模式；
跳到向量表。
处理完异常后，退出异常的流程如上图所述，
将LR_异常减去offset，得到的值赋给PC（offset的取值如下表）。
CPSR = SPSR_异常，将SPSR_异常的值赋回给CPSR。
如果有中断标志位的话，清楚中断标志位。
CPU状态(State)
CPU有两种State，分为ARM State和Thumb State，在ARM State下使用ARM指令集，每个指令占四个字节，在Thumb State下使用Thumb指令，每个指令占两个字节（即最终编译为机器码时占四个字节还是两个字节）。从这里可以看出，Thumb指令集更为高效，事实上，我们引入Thumb指令集正是为了节省程序的存储空间，这对单片机特别有效。但是在嵌入式Linux系统中，Nand Flash或Nor Flash非常大，所以我们都是使用ARM指令集。
先区分下ARM指令集合Thumb指令集：Thumb指令可以看作是ARM指令集压缩形式的子集，是针对代码密度的问题而提出的，它具有16位的代码密度，但是它不如ARM指令的效率高。Thumb不是一个完整的体系结构，不能指望处理器只执行Thumb指令而不支持ARM指令集。因此，Thumb指令只需要支持通用功能，必要时可以借助于完善的ARM指令集。比如，所有异常自动进入ARM状态。在编写Thumb指令时，先要使用伪指令CODE16声明，并且在ARM指令中要使用BX指令跳转到Thumb指令，以切换处理器状态。编写ARM指令时，则可以使用伪指令CODE32声明。
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