2021年09月10日 | S3c2440ARM异常与中断体系详解2---CPU模式(Mode)状态(State)

这节课我们来讲CPU的工作模式(Mode) 状态(State)寄存器

7种Mode:

 usr(用户模式)

 sys（系统模式）

 undefined(und)（未定义模式）

 Supervisor(svc)（管理者模式）

 Abort(abt)（中止模式）

 IRQ(irq)（中断模式）

 FIQ(fiq)（快速中断模式）

2种State:

 ARM state

 Thumb state

寄存器：

通用寄存器

备份寄存器(banked register)

当前程序状态寄存器(Current Program Status Register);CPSR

CPSR的备份寄存器:SPSR(Save Program Status Register)

我们仍然以这个母亲为例讲解这个CPU模式

这个母亲无压力看书 –>(正常模式)

要考试，看书—>(兴奋模式)

生病—->(异常模式)

可以参考书籍 《ARM体系结构与编程》作者：杜春雷

对于ARM CPU有7种模式：

1 、usr ：类比 正常模式

2 、sys ：类比的话兴奋模式

3 、5种异常模式：(2440用户手册72页)

3.1 und ：未定义模式

3.2 svc ：管理模式

3.3 abt ：中止模式： a 指令预取中止(读写某条错误的指令导致终止运行) b 数据访问终止 (读写某个地址， 这个过程出错) ，例如：都会进入终止模式

3.4 IRQ： 中断模式

3.5 FIQ： 快中断模式

我们可以称以下6种为特权模式

und ：未定义模式

svc ：管理模式

abt ：终止模式

IRQ ：中断模式

FIQ ：快中断模式

sys ：系统模式

usr用户模式(不可直接进入其他模式) ，特权模式可以编程操作CPSR直接进入其他模式

这个图是有关各个模式下能访问寄存器的，再讲这个图之前我们先引入 2种state

CPU有两种state:

1 ARM state:使用ARM指令集，每个指令4byte

2 Thumb state:使用的是Thumb指令集，每个指令2byte

比如同样是:

mov R0, R1 编译后

对于ARM指令集要占据4个字节：机器码

对于Thumb指令集占据2个字节：机器码

引入Thumb减少存储空间

ARM指令集与Thumb指令集的区别：

Thumb 指令可以看作是 ARM 指令压缩形式的子集,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,而且在 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,则可使用伪指令 CODE32声明.

下节课会演示使用Thumb指令集编译，看是否生成的bin文件会变小很多

在每种模式下都有R0 ~ R15

在这张图注意到有些寄存器画有灰色的三角形，表示访问该模式下访问的专属寄存器

比如

mov R0, R8

mov R0, R8

在System 模式下访问的是R0 ~ R8,在所有模式下访问R0都是同一个寄存器

mov R0,R8_fiq

但是在FIQ模式下，访问R8是访问的FIQ模式专属的R8寄存器，不是同一个物理上的寄存器

在这五种异常模式中每个模式都有自己专属的R13 R14寄存器，R13用作SP(栈) R14用作LR(返回地址)

LR是用来保存发生异常时的指令地址

为什么快中断(FIQ)有那么多专属寄存器，这些寄存器称为备份寄存器

回顾一下中断的处理过程

1 保存现场(保存被中断模式的寄存器)

就比如说我们的程序正在系统模式/用户模式下运行，当你发生中断时，需要把R0 ~ R14这些寄存器全部保存下来，让后处理异常，最后恢复这些寄存器

但如果是快中断，那么我就不需要保存 系统/用户模式下的R8 ~ R12这几个寄存器，在FIQ模式下有自己专属的R8 ~ R12寄存器，省略保存寄存器的时间，加快处理速度

但是在Linux中并不会使用FIQ模式

2 处理

3 恢复现场

CRSR当前程序状态寄存器，这是一个特别重要的寄存器

SPSR保存的程序状态寄存器，他们格式如下：

首先 M4 ~ M0 表示当前CPU处于哪一种模式(Mode)；

我们可以读取这5位来判断CPU处于哪一种模式，也可以修改这一种模式位，让其修改这种模式；

假如你当前处于用户模式下，是没有权限修改这些位的；

M4 ~ M0对应什么值，会有说明

查看其他位

Bit5 State bits表示CPU工作与Thumb State还是ARM State用的指令集是什么

Bit6 FIQ disable当bit6等于1时，FIQ是不工作的

Bit7 IRQ disable当bit5等于1时，禁止所有的IRQ中断，这个位是IRQ的总开关

Bit8 ~ Bit27是保留位

Bite28 ~ Bit31是状态位，

什么是状态位，比如说执行一条指令

cmp R0, R1

如果R0 等于 R1 那么zero位等于1，这条指令影响 Z 位，如果R0 == R1，则Z = 1

beq跳转到xxx这条指令会判断Bit30是否为1，是1的话则跳转，不是1的话则不会跳转

使用 Z 位，如果 Z 位等于1 则跳转，这些指令是借助状态位实现的

SPSR保存的程序状态寄存器：

表示发生异常时这个寄存器会用来保存被中断的模式下他的CPSR

就比如我我的程序在系统模式下运行 CPSR是某个值，当发生中断时会进入irq模式，这个CPSR_irq就保存系统模式下的CPSR

我们来看看发生异常时CPU是如何协同工作的：

进入异常的处理流程(硬件)

我们来翻译一下：

发生异常时，我们的CPU会做什么事情

1把下一条指令的地址保存在LR寄存器里(某种异常模式的LR等于被中断的下一条指令的地址)

它有可能是PC + 4有可能是PC + 8,到底是那种取决于不同的情况

2 把CPSR保存在SPSR里面(某一种异常模式下SPSR里面的值等于CPSR)

3 修改CPSR的模式为进入异常模式(修改CPSR的M4 ~ M0进入异常模式)

4 跳到向量表

退出异常怎么做？

1、让LR减去某个值，让后赋值给PC(PC = 某个异常LR寄存器减去 offset)

减去什么值呢？

也就是我们怎么返回去继续执行原来的程序，根据下面这个表来取值

如果发生的是SWI可以把 R14_svc复制给PC

如果发生的是IRQ可以把R14_irq的值减去4赋值给PC

2、把CPSR的值恢复(CPSR 值等于 某一个一场模式下的SPSR)

3、清中断（如果是中断的话，对于其他异常不用设置）