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2021年11月02日 | ARM处理器工作状态和模式
2021-11-02 来源：eefocus
两种工作状态
1、ARM状态：处理器执行32位对齐的ARM指令；
2、Thumb状态：处理器执行16位对齐的ARM指令。
它们之间的区别在于：Thumb指令集不是完整的指令集，它是ARM指令集的子集。但是Thumb指令具有更高的代码密度，即占用存储空间小，仅为ARM代码规格的65%，但其性能却下降的很少。所以，Thumb指令集使ARM处理器能应用到有限的存储带宽，并且，代码密度要求很高的嵌入式系统中去。Thumb指令集没有协处理器指令、信号量指令以及访问CPSR或SPSR的指令，没有乘加指令及64位乘法指令等，且指令的第二操作数受到限制；除了跳转指令B有条件执行功能外，其他指令均为无条件执行；大多数Thumb数据处理指令采用2地址格式。
七种工作模式
1、用户模式(Usr)：用于正常执行程序；
2、快速中断模式(FIQ)：用于高速数据传输；
3、外部中断模式(IRQ)：用于通常的中断处理；
4、管理模式(svc)：操作系统使用的保护模式；
5、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，可用于虚拟存储以及存储保护；
6、系统模式(sys)：运行具有特权的操作系统任务；
7、未定义指令中止模式(und)：当未定义的指令执行时进入该模式，可用于支持硬件。
除用户模式以外，其余6种模式都属于特权模式。用户模式不能够直接和其他6种模式进行切换，需要借助中断、异常，系统调用等。用户模式主要为了设置应用程序的权限，防止对系统造成破坏，起到保护作用。而其他6种模式直接可以直接进行切换。详情可以看下图：
两种寄存器
1、CPSR(current program status register):当前程序状态寄存器。
CPSR和其他寄存器不一样,其他寄存器是用来存放数据的,都是整个寄存器具有一个含义.而CPSR寄存器是按位起作用的,也就是说,它的每一位都有专门的含义,记录特定的信息.（CPSR寄存器为32位）
CPSR的低8位（包括I、F、T和M[4：0]）称为控制位，程序无法修改,除非CPU运行于特权模式下,程序才能修改控制位!
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!意义重大!
从对应表中可以看出M[4:0]各种状态表示的含义。
2、SPSR(Saved Program Status Register):程序状态保存寄存器
当切换进入某一个特权模式时，SPSR保存前一个工作模式的CPSR值，这样，当返回前一个工作模式时，可以将SPSR的值恢复到CPSR中；
总结如下：1.保存ALU中的当前操作信息；
2.控制允许和禁止中断；
3.设置处理器的运行模式。
ARM中有两条指令用于在状态寄存器和通用寄存器之间传送数据。即MRS、MSR。在对CPSR，SPSR寄存器进行操作不能使用mov，ldr等通用指令，只能使用特权指令MRS和MSR。
在ARM处理器中，只有MRS（Move to Register from State register）指令可以对状态寄存器CPSR和SPSR进行读操作。通过读CPSR可以获得当前处理器的工作状态。读SPSR寄存器可以获得进入异常前的处理器状态（因为只有异常模式下有SPSR寄存器）。
比如：
MRS R1，CPSR ; 将CPSR状态寄存器读取，保存到R1中
MRS R2，SPSR ; 将SPSR状态寄存器读取，保存到R2中
MSR CPSR_c，R0 ; 将修改后的值写回 CPSR寄存器的对应控制域
linux操作系统与ARM工作模式
首先，ARM开发板在刚上电或者复位后，都会首先进入SVC即管理模式，此时、程序计数器R15-PC会被自动赋值为0x0000 0000，bootloader就是在该模式下，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内核仍然运行在SVC即管理模式下，当内核启动完毕后，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时受限制的，因此，用户态可以实现对linux操作系统内核保护的目的。
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。
史海拾趣
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