處理器的工作模式

（優(yōu)選）處理器的工作模式當前1頁，總共39頁。1.1ARM處理器的工作狀態(tài)和模式

為了能夠體現(xiàn)ARM的特點和性能，ARM處理器有兩種工作狀態(tài)和7種工作模式。1.1.1ARM處理器的工作狀態(tài)有兩種工作狀態(tài)：

ARM狀態(tài)：處理器執(zhí)行32位的字對齊的ARM指令；

Thumb狀態(tài)：處理器執(zhí)行16位的半字對齊的Thumb指令。兩種狀態(tài)可以切換。程序執(zhí)行過程中，通過執(zhí)行帶狀態(tài)切換的分支指令BX，隨時在兩種工作狀態(tài)之間進行切換。并且，處理器工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，并不影響處理器的工作模式和相應寄存器中的內(nèi)容。當前2頁，總共39頁。1.1ARM處理器的工作狀態(tài)和模式(2)

從ARM狀態(tài)切換到Thumb狀態(tài) 有兩種情況ARM處理器自動切換到Thumb狀態(tài)。 （1）執(zhí)行BX指令，當操作數(shù)寄存器的位[0]為1時，則微處理器從ARM狀態(tài)切換到Thumb狀態(tài)。此為主動切換。 （2）當處理器處于Thumb狀態(tài)時發(fā)生異常（如IRQ、FIQ、Undef等），處理完異常后，在異常處理返回時，自動切換到Thumb狀態(tài)。此為自動切換。 從Thumb狀態(tài)切換到ARM狀態(tài) 有兩種情況ARM處理器自動切換到Thumb狀態(tài)。 （1）執(zhí)行BX指令，當操作數(shù)寄存器的位[0]為0時，則微處理器從Thumb狀態(tài)切換到ARM狀態(tài)。 （2）當處理器在Thumb狀態(tài)時發(fā)生異常（如IRQ、FIQ、Undef等），則處理器從Thumb狀態(tài)自動切換到ARM狀態(tài)進行異常處理當前3頁，總共39頁。1.1ARM處理器的工作狀態(tài)和模式(3)

例1.1狀態(tài)切換程序;從ARM狀態(tài)切換到Thumb狀態(tài)

LDR R0, =Lable+1 BX R0;從Thumb狀態(tài)切換到ARM狀態(tài)

LDR R0, =Lable BX R0

注意：

ARM和Thumb之間狀態(tài)的切換不影響處理器的模式或寄存器的內(nèi)容。

ARM處理器在開始執(zhí)行代碼時，只能處于ARM狀態(tài)。當前4頁，總共39頁。1.1.2ARM處理器的工作模式

一、

ARM9的7種工作模式

1、用戶模式（usr)：非特權(quán)模式，大部分任務執(zhí)行在這種模式。

正常程序執(zhí)行的模式

2、快速中斷模式（fiq）：當一個高優(yōu)先級(fast)中斷產(chǎn)生時將會進入這種模式。 高速數(shù)據(jù)傳輸或通道處理

3、外部中斷模式（irq）：當一個低優(yōu)先級(normal)中斷產(chǎn)生時將會進入這種模式。通常的中斷處理

4、管理模式（svc)：當復位或軟中斷指令執(zhí)行時將會進入這種模式。供操作系統(tǒng)使用的一種保護模式當前5頁，總共39頁。1.1.2ARM處理器的工作模式(2)

5、中止模式（abt）：當存取異常時將會進入這種模式

虛擬存儲及存儲保護6、未定義模式（und）：當執(zhí)行未定義指令時會進入這種模式

軟件仿真硬件協(xié)處理器7、系統(tǒng)模式（sys）：供需要訪問系統(tǒng)資源的操作系統(tǒng)任務使用

特權(quán)級的操作系統(tǒng)任務當前6頁，總共39頁。1.1.2ARM處理器的工作模式(2)

二、模式分類及特點 七種模式可以劃分成四類

1、用戶模式特點：應用程序不能夠訪問受操作系統(tǒng)保護的系統(tǒng)資源。應用程序不能進行處理器模式的切換。

2、系統(tǒng)模式特點：

不屬于異常模式，不是通過異常進入的。系統(tǒng)模式屬于特權(quán)模式，可以訪問所有的系統(tǒng)資源，也可以直接進行模式的切換。它主要供操作系統(tǒng)使用。

3、特權(quán)模式及其特點： 特權(quán)模式：除用戶模式之外的工作模式又稱為特權(quán)模式 特點： 應用程序可以訪問所有的系統(tǒng)資源 可以任意地進行處理器模式的切換當前7頁，總共39頁。1.1.2ARM處理器的工作模式(3)

4、異常模式及其特點：

異常模式： 除用戶模式、系統(tǒng)模式之外的五種模式稱為異常模式。

特點：以各自的中斷或異常方式進入，并且處理各自的中斷或異常。對管理模式(svc)進入方式和處理內(nèi)容有:

①系統(tǒng)上電復位后進入管理模式，運行系統(tǒng)初始化程序，如中斷允許/禁止，主時鐘設(shè)置，SDRAM配置，各個功能模塊初始化等。

②當執(zhí)行軟件中斷指令SWI時，進入管理模式。當前8頁，總共39頁。1.1.2ARM處理器的工作模式(4)處理器模式的切換方式：軟件控制進行切換。通過外部中斷和異常進行切換處理器啟動時的模式轉(zhuǎn)換圖管理模式(Supervisor)多種特權(quán)模式變化用戶程序的運行模式復位后的缺省模式主要完成各模式的堆棧設(shè)置，注意不要進入用戶模式一般為用戶模式User當前9頁，總共39頁。1.2ARM9寄存器本節(jié)主要內(nèi)容

1、ARM寄存器概述

2、ARM通用寄存器

3、ARM狀態(tài)寄存器當前10頁，總共39頁。1.2ARM9寄存器1.2.1、ARM寄存器概述

ARM處理器v4及以上版本有37個32位的寄存器

其中31個為通用寄存器；6個為狀態(tài)寄存器。31個通用寄存器R0～R15；R13_svc、R14_svc；R13_abt、R14_abt；R13_und、R14_und；R13_irq、R14_irq；R8_fiq-R14_fiq

6個狀態(tài)寄存器CPSRSPSR_svc、SPSR_abt、SPSR_und、SPSR_irq和SPSR_fiq當前11頁，總共39頁。1.2ARM9寄存器(2)

每一類處理器模式都有一組相應的寄存器組；在任意的處理器模式下，可見的寄存器包括15個通用寄存器（R0－R14）、1個或2個狀態(tài)寄存器和程序寄存器。帶灰色底紋的單元格表示，用戶模式或系統(tǒng)模式使用的一般寄存器，已被異常模式特定的另一寄存器所替代。當前12頁，總共39頁。1.2ARM寄存器(4)1.2.2ARM的通用寄存器

通用寄存器包括R0～R15，可以分為三類：

─未分組寄存器R0～R7 ─分組寄存器R8～R14 ─程序計數(shù)器PC(R15)

一、未分組寄存器R0～R7

在所有的運行模式下，未分組寄存器都指向同一個物理寄存器，他們未被系統(tǒng)用作特殊的用途，是真正的通用寄存器。 因此，在中斷或異常處理進行運行模式轉(zhuǎn)換時，由于不同的處理器運行模式均使用相同的物理寄存器，可能會造成寄存器中數(shù)據(jù)的破壞，這一點在進行程序設(shè)計時應引起注意。當前13頁，總共39頁。1.2ARM寄存器(5)

二、分組的寄存器R8～R14

對于R8～R12，每一次所訪問的物理寄存器，與處理器當前的工作模式有關(guān)。1、R8～R12當處理器工作于fiq模式時，訪問的寄存器為R8_fiq～R12_fiq；除fiq模式以外的其他模式，訪問的寄存器為R8_usr～R12_usr。2、R13和R14：

每個寄存器對應6個不同的物理寄存器，其中的一個是用戶模式與系統(tǒng)模式共用，另外5個物理寄存器，對應于其他5種不同的異常模式。

采用以下的記號來區(qū)分不同的物理寄存器：

R13_<mode>R14_<mode>

其中，mode為以下幾種模式之一：usr、fiq、irq、svc、abt、und。當前14頁，總共39頁。1.2ARM寄存器(6)R13：寄存器R13在ARM指令中常用作堆棧指針SP。但這只是一種習慣用法，用戶也可使用其他的寄存器作為堆棧指針。而在Thumb指令集中，某些指令強制性的要求使用R13作為堆棧指針。

R14：寄存器R14也稱作子程序鏈接寄存器（SubroutineLinkRegister）或鏈接寄存器LR。 當執(zhí)行BL子程序調(diào)用指令時，R14中得到R15（程序計數(shù)器PC）的備份。其他情況下，R14用作通用寄存器。 與之類似，當發(fā)生中斷或異常時，對應的分組寄存器R14_svc、R14_irq、R14_fiq、R14_abt和R14_und用來保存R15的返回值。當前15頁，總共39頁。1.2ARM寄存器(7)

三、程序計數(shù)器PC（R15）寄存器R15用作程序計數(shù)器（PC）。

在ARM狀態(tài)下，位[1:0]為0，位[31:2]用于保存PC；在Thumb狀態(tài)下，位[0]為0，位[31:1]用于保存PC；

使用R15時注意：雖然R15可以用作通用寄存器，但是有一些指令在使用R15時有一些特殊限制，若不注意，執(zhí)行的結(jié)果將是不可預料的。所以，一般不這么使用。關(guān)于PC的值：由于ARM采用多級流水線技術(shù)，所以PC總是指向正在取指的指令，而不是正在執(zhí)行的指令。也即PC總是指向當前指令的下兩條指令的地址。因此，對于ARM指令集而言，PC的值為當前指令的地址值加8個字節(jié)。當前16頁，總共39頁。1.2ARM寄存器(8)1.2.3ARM的狀態(tài)寄存器

一、兩種程序狀態(tài)寄存器 在ARM微處理器中，有CPSR和SPSR兩種程序狀態(tài)寄存器。1、當前程序狀態(tài)寄存器CPSR(CurrentProgramStatusRegister）用來保存當前程序狀態(tài)的寄存器。所有處理器模式下都可以訪問當前程序狀態(tài)寄存器CPSR。僅一個CPSR。2、保存程序狀態(tài)寄存器SPSR_mode

(SavedProgramStatusRegister) SPSR_mode用來進行異常處理，其功能包括： ─保存ALU中的當前操作信息 當異常發(fā)生時,用來保存CPSR的值，從異常返回時，將

SPSR_mode復制到CPSR中，恢復CPSR的值。 ─控制允許和禁止中斷 修改SPSR的值 ─設(shè)置處理器的運行模式 修改SPSR的值

問題：一共有多少個SPSR？為什么？當前17頁，總共39頁。1.2.3ARM的狀態(tài)寄存器(2)

二、ARM狀態(tài)寄存器的格式

1、條件碼標志位（保存ALU中的當前操作信息）

N：正負號/大小標志位

0表示：正數(shù)/大于；1表示：負數(shù)/小于

Z：零標志位

0表示：結(jié)果不為零；1表示：結(jié)果為零

C：進位/借位/移出位

0表示：未進位/借位/移出0；1表示：進位/未借位/移出1 V：溢出標志位

0表示：結(jié)果未溢出；1表示：結(jié)果溢出3130292827…876543210NZCV（保留）IFTM4M3M2M1M0當前18頁，總共39頁。1.2.3ARM9的狀態(tài)寄存器(3) 2、控制位I、F中斷控制位——控制允許和禁止中斷I＝1禁止IRQ中斷 I＝0允許IRQ中斷F＝1禁止FIQ中斷 F＝0允許FIQ中斷T控制(標志)位——反映處理器的運行狀態(tài)T=1時，程序運行于Thumb狀態(tài)T=0時，程序運行于ARM狀態(tài)M控制位——決定了處理器的運行模式當發(fā)生異常時這些位被改變。如果處理器運行在特權(quán)模式，這些位也可以由程序修改。M[4:0]10000100011001010011101111101111111模式用戶快中斷中斷管理中止未定義系統(tǒng)當前19頁，總共39頁。1.2.3ARM9的狀態(tài)寄存器(4) 3、保留位

CPSR中的其余位為保留位，當改變CPSR中的條件碼標志位或者控制位時，保留位不要改變，在程序中也不要使用保留位來存儲數(shù)據(jù)。保留位將用于ARM版本的擴展。1.2.4Thumb狀態(tài)下的寄存器組織

Thumb狀態(tài)下的寄存器集是ARM狀態(tài)下寄存器集的子集。程序員可以直接訪問8個通用的寄存器（R0~R7），程序計數(shù)器PC、堆棧指針SP、鏈接寄存器LR和當前狀態(tài)寄存器CPSP。當前20頁，總共39頁。本節(jié)主要內(nèi)容1、中斷和異常的概念2、ARM的異常中斷介紹3、ARM的異常中斷響應過程4、中斷向量和中斷優(yōu)先級1.3ARM異常

當前21頁，總共39頁。1.3ARM異常

1.3.1中斷和異常的概念

1、中斷

當CPU正在執(zhí)行程序時，系統(tǒng)發(fā)生了一件急需處理的事件，CPU暫時停下正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)去處理相應的事件，事件處理完后，CPU再返回執(zhí)行原來的程序，這種情況稱為中斷。這是中斷的本來意義。

中斷事件：引起CPU產(chǎn)生中斷、并且與CPU當前所執(zhí)行的程序無關(guān)的、由外部硬件產(chǎn)生的事件，也叫中斷源。中斷事件也常稱為外中斷。

常說的中斷：有時指的是中斷的本意，有時指的是外部中斷事件，即外中斷。

中斷是計算機系統(tǒng)基本的功能利用中斷，外設(shè)可以與CPU并行工作，當外設(shè)需要傳輸數(shù)據(jù)或控制時，向CPU發(fā)出中斷請求信號。CPU響應其請求進行處理。因此，使用中斷既可以實現(xiàn)CPU與外設(shè)并行工作，又可以實時處理各種緊急事件。當前22頁，總共39頁。1.3ARM異常

2、異常

是指CPU在執(zhí)行指令時出現(xiàn)的錯誤，即不正常的情況。異常是與當前所執(zhí)行的程序有關(guān)的。如存取數(shù)據(jù)或指令錯誤、計算結(jié)果溢出等。

異常的處理：也用中斷的方式進行處理。 計算機通常是用中斷來處理外中斷和異常，因此下面將二者均稱為異常。

3、ARM程序的三種執(zhí)行流程順序流程：每執(zhí)行一條ARM指令，程序計數(shù)器（PC）的值加4；每執(zhí)行一條Thumb指令，程序計數(shù)器寄存器（PC）的值加2，整個過程是按順序執(zhí)行。當前23頁，總共39頁。

對異常的說明 當系統(tǒng)運行時，異?？赡軙S時發(fā)生，為保證在ARM處理器發(fā)生異常時不至于處于未知狀態(tài)，在應用程序的設(shè)計中，首先要進行異常處理，采用的方式是在異常向量表中的特定位置放置一條跳轉(zhuǎn)指令，跳轉(zhuǎn)到異常處理程序，當ARM處理器發(fā)生異常時，程序計數(shù)器PC會被強制設(shè)置為對應的異常向量，從而跳轉(zhuǎn)到異常處理程序，當異常處理完成以后，返回到主程序繼續(xù)執(zhí)行。 我們需要處理所有的異常，盡管我們可以簡單的在某些異常處理程序處放置死循環(huán)。1.3ARM異常

當前24頁，總共39頁。1.3ARM異常

跳轉(zhuǎn)流程：程序執(zhí)行了跳轉(zhuǎn)指令，則要跳轉(zhuǎn)到特定的地址標號處執(zhí)行，包括跳轉(zhuǎn)到子程序。例如，跳轉(zhuǎn)指令，B、BL、BLX和BX。

中斷流程：當異常中斷發(fā)生時，系統(tǒng)執(zhí)行完當前指令后，將跳轉(zhuǎn)到相應的異常中斷處理程序處執(zhí)行。在當異常中斷處理程序執(zhí)行完成后，程序返回到發(fā)生中斷的指令的下條指令處執(zhí)行。 在進行異常中斷處理程序時，要保存被中斷的程序的執(zhí)行現(xiàn)場，在從異常中斷處理程序退出時，要恢復被中斷的程序的執(zhí)行現(xiàn)場。

中斷處理與子程序調(diào)用的區(qū)別：中斷是隨機的，并且與正在執(zhí)行的程序無關(guān)；子程序調(diào)用是程序的主動行為，并且與正在執(zhí)行的程序密切相關(guān)。當前25頁，總共39頁。1.3.2ARM的異常

ARM有7種異常1、復位處理器上一旦有復位輸入，ARM處理器立刻停止執(zhí)行當前指令。復位后，ARM處理器在禁止中斷的管理模式下，從地址0x00000000或0xFFFF0000開始執(zhí)行指令。2、未定義指令異常當ARM處理器執(zhí)行協(xié)處理器指令時，它必須等待任一外部協(xié)處理器應答后，才能真正執(zhí)行這條指令。若協(xié)處理器沒有響應，就會出現(xiàn)未定義指令異常。未定義指令異?？捎糜谠跊]有物理協(xié)處理器（硬件）的系統(tǒng)上，對協(xié)處理器進行軟件仿真，或在軟件仿真時進行指令擴展。1.3ARM異常

當前26頁，總共39頁。3、軟件中斷異常該異常由執(zhí)行SWI指令產(chǎn)生，可使用此機制進行軟件仿真。4、預取中止（取指令存儲器中止）若處理器預取指令的地址不存在，或該地址不允許當前指令訪問，存儲器會向處理器發(fā)出中止信號，但當預取的指令被執(zhí)行時，才會產(chǎn)生指令預取中止異常。5、數(shù)據(jù)中止（訪問數(shù)據(jù)存儲器中止）若處理器數(shù)據(jù)訪問指令的地址不存在，或該地址不允許當前指令訪問時，產(chǎn)生數(shù)據(jù)中止異常。1.3ARM異常

當前27頁，總共39頁。6、IRQ異常當處理器的外部中斷請求引腳有效，且CPSR中的I=0，產(chǎn)生IRQ異常。系統(tǒng)的外設(shè)可通過該異常請求中斷服務。7、FIQ異常當處理器的外部中斷請求引腳有效，且CPSR中的F=0，產(chǎn)生FIQ異常。

FIQ支持數(shù)據(jù)傳送和通道處理，并有足夠的私有寄存器，從而在應用中可避免對寄存器保存的需求，減少了開銷。1.3ARM異常

當前28頁，總共39頁。

1.3.3ARM異常中斷響應過程

一、進入異常 當發(fā)生異常時，除了復位異常立即中止當前指令外，處理器盡量完成當前指令，然后脫離當前的程序去處理異常。ARM處理器對異常中斷的響應過程如下：

1、保存返回地址 將引起異常指令的下一條指令的地址保存到新的異常模式x下的R14，即R14-<mode>中，使異常處理程序執(zhí)行完后能正確返回原程序。

2、保存當前狀態(tài)寄存器CPSR的內(nèi)容 將CPSR的內(nèi)容保存到將要執(zhí)行的異常中斷對應的SPSR中，便于中斷返回時恢復處理器當前的狀態(tài)位、中斷屏蔽位以及各條件標志位。1.3ARM異常當前29頁，總共39頁。

3、設(shè)置當前狀態(tài)寄存器CPSR中的相應位設(shè)置CPSR模式控制位CPSR［4：0］，使處理器進入相應的執(zhí)行模式；設(shè)置中斷標志位（CPSR［6］=1），禁止IRQ中斷；設(shè)置中斷標志位（CPSR［7］=1）禁止FIQ中斷，當進入Reset或FIQ模式時。

4、轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷處理程序 取相應的中斷向量給程序計數(shù)器PC，使程序開始執(zhí)行中斷處理程序。一般地說，矢量地址處將包含一條指向相應程序的轉(zhuǎn)移指令，從而可跳轉(zhuǎn)到相應的異常中斷處理程序處執(zhí)行異常中斷處理程序。1.3ARM異常當前30頁，總共39頁。1.3ARM異常

ARM處理器對異常的響應過程可以用偽代碼描述如下：

R14_<exception_mode>=returnlinkSPSR_<exception_mode>=CPSRCPSR［4：0］=exceptionmodenumberCPSR［5］=0/*當運行于ARM狀態(tài)時*/CPSR［6］=1 /*禁止新的IRQ中斷*/if<exception-mode>=ResetorFIQthenCPSR［7］=1 /*當Reset或FIQ異常中斷時*/ /*禁止新的FIQ中斷*/PC=exceptionvectoraddress當前31頁，總共39頁。

注意使用異常模式下的特有寄存器

每個異常模式對應有兩個寄存器R13_<mode>、R14_<mode>分別保存相應模式下的堆棧指針、返回地址；堆棧指針可用來定義一個存儲區(qū)域保存其它用戶寄存器，在程序初始化時應該對各種模式堆棧設(shè)置，便于隨時使用。

FIQ模式還有額外的專用寄存器R8_fiq～R12_fiq，使用這些寄存器可以加快快速中斷的處理速度。1.3ARM異常當前32頁，總共39頁。

二、異常返回

1、異常返回應執(zhí)行的操作 異常處理完畢之后，ARM微處理器會執(zhí)行以下幾步操作從異常返回：將返回地址裝入PC

把連接寄存器LR的值減去相應的偏移量，然后送到PC中?；謴虲PSR的值將SPSR復制回CPSR中。清除中斷屏蔽位若在進入異常處理時設(shè)置了中斷禁止位，要在此清除。

可以認為應用程序總是從復位異常處理程序開始執(zhí)行的，因此復位異常處理程序不需要返回。1.3ARM異常當前33頁，總共39頁。

2、各種異常返回方法

FIQ中斷返回 不管是在ARM狀態(tài)還是在Thumb狀態(tài)下進入FIQ模式，F(xiàn)IQ處理程序均可以執(zhí)行以下指令從FIQ模式返回：

SUBSPC,R14-fiq,#4

指令預取中止（Abort

）異常返回 當指令預取訪問存儲器失敗時，存儲器系統(tǒng)向ARM處理器發(fā)出存儲器中止（Abort）信號，預取的指令被記為無效，但只有當處理器試圖執(zhí)行無效指令時，指令預取中止異常才會發(fā)生，如果指令未被執(zhí)行，例如在指令流水線中發(fā)生了跳轉(zhuǎn)，則預取指令中止不會發(fā)生。 如果發(fā)生了指令預取中止異常，無論是在ARM狀態(tài)還是Thumb狀態(tài)，其返回指令為：

SUBSPC,R14_abt,#4 ；重新執(zhí)行被中止的指令1.3ARM異常當前34頁，總共39頁。數(shù)據(jù)中止（Abort）異常返回 如果發(fā)生了數(shù)據(jù)中止異常，無論是在ARM狀態(tài)還是Thumb狀態(tài)，其返回指令為：

SUBSPC,R14_abt,#8

重新執(zhí)行被中止的指令軟件中斷指令（SWI）異常返回 用于進入管理模式，常用于請求執(zhí)行特定的管理功能。軟件中斷處理程序執(zhí)行以下指令可以從SWI模式返回，無論是在ARM狀態(tài)還是Thumb狀態(tài)：

MOVSPC,R14_svc

以上指令恢復PC（從R14_svc）和CPSR