S3c2440ARM異常與中斷體系詳解2---CPU模式(Mode)狀態(State)

這節課我們來講CPU的工作模式(Mode) 狀態(State)寄存器

7種Mode:

 usr(用戶模式)

 sys（系統模式）

 undefined(und)（未定義模式）

 Supervisor(svc)（管理者模式）

 Abort(abt)（中止模式）

 IRQ(irq)（中斷模式）

 FIQ(fiq)（快速中斷模式）

2種State:

 ARM state

 Thumb state

寄存器：

通用寄存器

備份寄存器(banked register)

當前程序狀態寄存器(Current Program Status Register);CPSR

CPSR的備份寄存器:SPSR(Save Program Status Register)

我們仍然以這個母親為例講解這個CPU模式

這個母親無壓力看書 –>(正常模式)

要考試，看書—>(興奮模式)

生病—->(異常模式)

可以參考書籍 《ARM體系結構與編程》作者：杜春雷

對于ARM CPU有7種模式：

1 、usr ：類比 正常模式

2 、sys ：類比的話興奮模式

3 、5種異常模式：(2440用戶手冊72頁)

3.1 und ：未定義模式

3.2 svc ：管理模式

3.3 abt ：中止模式： a 指令預取中止(讀寫某條錯誤的指令導致終止運行) b 數據訪問終止 (讀寫某個地址， 這個過程出錯) ，例如：都會進入終止模式

3.4 IRQ： 中斷模式

3.5 FIQ： 快中斷模式

我們可以稱以下6種為特權模式

und ：未定義模式

svc ：管理模式

abt ：終止模式

IRQ ：中斷模式

FIQ ：快中斷模式

sys ：系統模式

usr用戶模式(不可直接進入其他模式) ，特權模式可以編程操作CPSR直接進入其他模式

這個圖是有關各個模式下能訪問寄存器的，再講這個圖之前我們先引入 2種state

CPU有兩種state:

1 ARM state:使用ARM指令集，每個指令4byte

2 Thumb state:使用的是Thumb指令集，每個指令2byte

比如同樣是:

mov R0, R1 編譯后

對于ARM指令集要占據4個字節：機器碼

對于Thumb指令集占據2個字節：機器碼

引入Thumb減少存儲空間

ARM指令集與Thumb指令集的區別：

Thumb 指令可以看作是 ARM 指令壓縮形式的子集,是針對代碼密度的問題而提出的,它具有 16 位的代碼密度但是它不如ARM指令的效率高 .

Thumb 不是一個完整的體系結構,不能指望處理只執行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,必要時可以借助于完善的 ARM 指令集,比如,所有異常自動進入 ARM 狀態.在編寫 Thumb 指令時,先要使用偽指令 CODE16 聲明,而且在 ARM 指令中要使用 BX指令跳轉到 Thumb 指令,以切換處理器狀態.編寫 ARM 指令時,則可使用偽指令 CODE32聲明.

下節課會演示使用Thumb指令集編譯，看是否生成的bin文件會變小很多

在每種模式下都有R0 ~ R15

在這張圖注意到有些寄存器畫有灰色的三角形，表示訪問該模式下訪問的專屬寄存器

比如

mov R0, R8

mov R0, R8

在System 模式下訪問的是R0 ~ R8,在所有模式下訪問R0都是同一個寄存器

mov R0,R8_fiq

但是在FIQ模式下，訪問R8是訪問的FIQ模式專屬的R8寄存器，不是同一個物理上的寄存器

在這五種異常模式中每個模式都有自己專屬的R13 R14寄存器，R13用作SP(棧) R14用作LR(返回地址)

LR是用來保存發生異常時的指令地址

為什么快中斷(FIQ)有那么多專屬寄存器，這些寄存器稱為備份寄存器

回顧一下中斷的處理過程

1 保存現場(保存被中斷模式的寄存器)

就比如說我們的程序正在系統模式/用戶模式下運行，當你發生中斷時，需要把R0 ~ R14這些寄存器全部保存下來，讓后處理異常，最后恢復這些寄存器

但如果是快中斷，那么我就不需要保存 系統/用戶模式下的R8 ~ R12這幾個寄存器，在FIQ模式下有自己專屬的R8 ~ R12寄存器，省略保存寄存器的時間，加快處理速度

但是在Linux中并不會使用FIQ模式

2 處理

3 恢復現場

CRSR當前程序狀態寄存器，這是一個特別重要的寄存器

SPSR保存的程序狀態寄存器，他們格式如下：

首先 M4 ~ M0 表示當前CPU處于哪一種模式(Mode)；

我們可以讀取這5位來判斷CPU處于哪一種模式，也可以修改這一種模式位，讓其修改這種模式；

假如你當前處于用戶模式下，是沒有權限修改這些位的；

M4 ~ M0對應什么值，會有說明

查看其他位

Bit5 State bits表示CPU工作與Thumb State還是ARM State用的指令集是什么

Bit6 FIQ disable當bit6等于1時，FIQ是不工作的

Bit7 IRQ disable當bit5等于1時，禁止所有的IRQ中斷，這個位是IRQ的總開關

Bit8 ~ Bit27是保留位

Bite28 ~ Bit31是狀態位，

什么是狀態位，比如說執行一條指令

cmp R0, R1

如果R0 等于 R1 那么zero位等于1，這條指令影響 Z 位，如果R0 == R1，則Z = 1

beq跳轉到xxx這條指令會判斷Bit30是否為1，是1的話則跳轉，不是1的話則不會跳轉

使用 Z 位，如果 Z 位等于1 則跳轉，這些指令是借助狀態位實現的

SPSR保存的程序狀態寄存器：

表示發生異常時這個寄存器會用來保存被中斷的模式下他的CPSR

就比如我我的程序在系統模式下運行 CPSR是某個值，當發生中斷時會進入irq模式，這個CPSR_irq就保存系統模式下的CPSR

我們來看看發生異常時CPU是如何協同工作的：

進入異常的處理流程(硬件)

我們來翻譯一下：

發生異常時，我們的CPU會做什么事情

1把下一條指令的地址保存在LR寄存器里(某種異常模式的LR等于被中斷的下一條指令的地址)

它有可能是PC + 4有可能是PC + 8,到底是那種取決于不同的情況

2 把CPSR保存在SPSR里面(某一種異常模式下SPSR里面的值等于CPSR)

3 修改CPSR的模式為進入異常模式(修改CPSR的M4 ~ M0進入異常模式)

4 跳到向量表

退出異常怎么做？

1、讓LR減去某個值，讓后賦值給PC(PC = 某個異常LR寄存器減去 offset)

減去什么值呢？

也就是我們怎么返回去繼續執行原來的程序，根據下面這個表來取值

如果發生的是SWI可以把 R14_svc復制給PC

如果發生的是IRQ可以把R14_irq的值減去4賦值給PC

2、把CPSR的值恢復(CPSR 值等于 某一個一場模式下的SPSR)

3、清中斷（如果是中斷的話，對于其他異常不用設置）