2021年11月03日 | ARM内核架构（二）——ARM处理器7种工作模式

2021-11-03 来源：eefocus

一、ARM处理器7种工作模式（特权模式特权模式异常模式）

用户模式（USR）：正常程序执行模式，不能直接切换到其他模式

系统模式（SYS）：运行操作系统的特权任务，与用户模式类似，但具有可以直接切换到其他模式等特权

快中断模式（FIQ）：支持高速数据传输及通道处理，FIQ异常响应时进入此模式

中断模式（IRQ）：用于通用中断处理，IRQ异常响应时进入此模式

管理模式（SVC）：操作系统保护模式，系统复位和软件中断响应时进入此模式（由系统调用执行软中断SWI命令触发）

中止模式（ABT）：用于支持虚拟内存和/或存储器保护，在ARM7TDMI没有大用处

未定义模式（UND）：支持硬件协处理器的软件仿真，未定义指令异常响应时进入此模式

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除用户模式外，其余6种工作模式都属于特权模式

特权模式中除了系统模式以外的其余5种模式称为异常模式

大多数程序运行于用户模式

进入特权模式是为了处理中断、异常、或者访问被保护的系统资源

硬件权限级别：系统模式 > 异常模式 > 用户模式

快中断与慢中断区别：快中断处理时禁止中断

CPU的模式可以简单的理解为当前CPU的工作状态，比如：当前操作系统正在执行用户程序，那么当前CPU工作在用户模式，这时网卡上有数据到达，产生中断信号，CPU自动切换到一般中断模式下处理网卡数据（普通应用程序没有权限直接访问硬件），处理完网卡数据，返回到用户模式下继续执行用户程序

特权模式

除用户模式外，其它模式均为特权模式（Privileged Modes）。ARM内部寄存器和一些片内外设在硬件设计上只允许（或者可选为只允许）特权模式下访问。此外，特权模式可以自由的切换处理器模式，而用户模式不能直接切换到别的模式

异常模式

特权模式中除系统（system）模式之外的其他5种模式又统称为异常模式。它们除了可以通过在特权下的程序切换进入外，也可以由特定的异常进入。比如硬件产生中断信号进入中断异常模式，读取没有权限数据进入中止异常模式，执行未定义指令时进入未定义指令中止异常模式。其中管理模式也称为超级用户模式，是为操作系统提供软中断的特有模式，正是由于有了软中断，用户程序才可以通过系统调用切换到管理模式

Linux操作系统使用了其中USR和SVC模式、出现异常时还可能通过进入其他模式转为Linux内核态

MMU种有存储访问权限控制功能，访问没有权限的地址时，会产生Permission fault中断

二、异常的优先级

三、存储器格式

大端格式：高字节在低地址，低字节在高地址

小端格式：高字节在高地址，低字节在低地址

四、ARM体系的CPU有两种工作状态

ARM状态

THumb状态

五、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。

ARM 内核架构工作模式

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