ARM处理器工作模式

2023-08-12 1684阅读

作为32位微处理器,arm架构支持的最大寻址空间为4GB。Arm微处理器的指令长度是32位,也可以是16位。Arm 微处理器支持三种数据类型:字节(8 位)、半字和字。处理器工作状态的转变不影响处理器的工作模式和相应寄存器的内容。ARM 内部寄存器和一些片上外设在硬件设计中仅允许以特权模式进行访问。通用中断模式也称为普通中断模式,用于处理通用中断请求,通常在硬件产生中断信号后自动进入该模式。软中断处理也是这种模式。分配器和 CPU 接口在复位时均被禁用。

1、内存格式(字对齐):

Arm 架构将内存视为从地址 0 开始的线性字节集合。 第一个存储的字(32位)数据从零字节到三个字节放置,第二个存储的字数据从第四个字节到第七个字节放置,一次排列。 作为32位微处理器,arm架构支持的最大寻址空间为4GB。

ARM处理器工作模式

内存格式

1、Big-endian格式:高字节在低地址,低字节在高地址;

    2、小端格式:高字节在高地址,低字节在低地址;

指令长度:

Arm微处理器的指令长度是32位,也可以是16位(在thumb状态下)。 Arm 微处理器支持三种数据类型:字节(8 位)、半字(16 位)和字(32 位)。 其中,字需要4字节对齐,半字需要2字节对齐。

注意:所谓指令长度是一条完整指令的长度,而不是简单的mov的3个字母长度

2、ARM系统的CPU有两种工作状态

1、ARM状态:处理器执行32位字对齐的ARM指令;

     2、Thumb状态:处理器执行16位的、半字对齐的Thumb指令;

程序运行过程中,两种状态之间可以进行相应的转换。 处理器工作状态的转变不影响处理器的工作模式和相应寄存器的内容。

CPU上电并处于ARM状态

3、ARM系统的CPU有以下7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;

CPU的模式可以简单理解为CPU当前的工作状态。 例如,如果当前操作系统正在执行用户程序,则当前CPU工作在用户模式。 此时网卡有数据到达,产生中断信号,CPU自动切换到普通中断。 在模式下处理网卡数据(普通应用程序没有直接访问硬件的权限),处理完网卡数据后,返回到用户模式继续执行用户程序。

特权模式

除了用户模式之外,其他模式都是特权模式(Privileged Modes)。 ARM 内部寄存器和一些片上外设在硬件设计中仅允许(或可选地允许)以特权模式进行访问。 另外,特权模式可以自由切换处理器模式,而用户模式则不能直接切换到其他模式。

异常模式

在特权模式下,除系统模式外的其他五种模式统称为异常模式。 除了可以通过特权下的程序切换进入之外,还可以通过特定的异常进入。 例如,硬件产生中断信号进入中断异常模式,读取未授权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,管理模式又称为超级用户模式,是一种为操作系统提供软中断的独特模式。 正是由于软中断的存在,用户程序可以通过系统调用切换到管理模式。

(1)用户模式:

用户模式是用户程序的工作模式。 它运行在操作系统的用户模式下。 无权操作其他硬件资源。 它只能执行和处理自己的数据,不能切换到其他模式。 如果想要访问硬件资源或者切换到其他模式的访问只能通过软中断或者异常来实现。

(2)系统模式:

系统模式是特权模式,不受用户模式的限制。 用户模式和系统模式共享一组寄存器。 操作系统在该模式下可以方便地访问用户模式的寄存器,操作系统的一些特权任务可以利用该模式访问一些受控资源。

(3) 通用中断方式:

通用中断模式也称为普通中断模式,用于处理通用中断请求,通常在硬件产生中断信号后自动进入该模式。 该模式属于特权模式,可以自由访问系统硬件资源。

(4)快速中断模式:

快速中断模式是相对于普通中断模式而言的。 它用于处理需要更多时间的中断请求。 主要用于高速数据传输和通道处理。

(五)管理模式:

管理模式是CPU上电后的默认模式,因此该模式主要用于系统初始化。 软中断处理也是这种模式。 当用户模式下的用户程序请求使用硬件资源时,通过软件中断进入该模式。 。

(6)终止方式:

中止模式用于支持虚拟内存或内存保护。 当用户程序访问非法地址或无权限读取的内存地址时,就会进入该模式。 Linux下编程时经常出现的段错误通常就是在这种模式下抛出的。 返回。

(7) 未定义模式:

未定义模式用于支持硬件协处理器的软件仿真。 当CPU在指令译码阶段无法识别指令的操作时,就会进入未定义模式。

切换Arm工作模式有两种方式:

被动切换:arm运行时产生一些异常或中断,自动切换模式

主动切换:通过软件改变,即软件设置寄存器来切换arm的模式。 应该是可以通过对应寄存器的赋值来切换arm的工作模式。

提示:当处理器运行在用户模式时,某些受保护的系统资源无法访问。

除用户模式外,其余6种工作模式均为特权模式;

在特权模式下,除系统模式外的其他五种模式称为异常模式;

大多数程序都运行在用户模式下;

进入特权模式是为了处理中断、异常,或者访问受保护的系统资源;

4. 注册

ARM有31个通用32位寄存器和6个程序状态寄存器,分为7组。 有些寄存器是所有工作模式共享的,有些寄存器是每种工作模式专用的;

R13——堆栈指针寄存器,用于保存堆栈指针;

R14——程序连接寄存器,执行BL子程序调用指令时,R14得到R15的备份,发生中断或异常时,R14保存R15的返回值;

R15——程序计数器;

快速中断模式下有7个备份寄存器R8-R14,这使得进入快速中断模式时无需保存任何寄存器来执行大部分程序;

其他特权模式包含两个独立的寄存器副本R13和R14,使得每种模式都有自己的堆栈指针和连接寄存器;

五、当前程序状态寄存器(CPSR)

CPSR中各字符的含义如下:

T位:1——CPU处于Thumb状态,0——CPU处于ARM状态;

I、F(中断禁止位):1——禁止中断,0——中断使能;

工作模式位:可以改变这些位来切换模式;

6. 程序状态保存寄存器(SPSR)

当切换到特权模式时,SPSR保存之前的工作模式的CPSR值,这样当返回之前的工作模式时,可以将SPSR的值恢复为CPSR;

7. 模式切换

当异常发生,CPU进入相应的异常模式时,CPU自动完成以下工作:

1、将前一个工作模式下要执行的下一条指令的地址保存在异常模式的R14中;

2、将CPSR的值复制到异常模式的SPSR中;

3、将CPSR的工作模式设置为异常模式对应的工作模式;

4、使PC值等于异常向量表中异常模式的地址,即跳转执行异常向量表中对应的指令;

当从异常工作模式返回到之前的工作模式时,软件需要完成以下任务:

1、异常模式下R14减去适当的值(4或8),赋给PC寄存器;

2、将异常模式SPSR的值赋给CPSR;

arm v7异常和中断处理

异常的:

中断,

中止,

重置

中断:由gic管理,中断号是一种标签,唯一对应一个中断源。 大多数中断是由外设触发并由gic上报,这会导致核心IRQ或FIQ异常的发生。 同时gic需要控制每个中断的优先级、状态、安全性。

中断可以是边沿触发的,也可以是电平敏感的。

分配器和 CPU 接口在复位时均被禁用。 GIC 必须在复位后初始化,然后才能向内核传递中断。

在分发器中,软件必须配置优先级、目标、安全性并启用各个中断。 随后必须通过其控制寄存器启用分配器块。 对于每个 CPU 接口,软件必须对优先级掩码和抢占设置进行编程。

每个 CPU 接口块本身必须通过其控制寄存器来启用。 这使 GIC 准备好向内核传递中断。

在内核预计会出现中断之前,软件会通过在向量表中设置有效的中断向量并清除 CPSR 中的中断屏蔽位来使内核做好接受中断的准备。

通过禁用分配器块可以禁用系统中的整个中断机制。 可以通过禁用其 CPU 接口块或通过在该内核的 CPSR 中设置屏蔽位来禁用到单个内核的中断传送。 单个中断也可以在分配器中禁用(或启用)。

为了使中断到达内核,必须启用各个中断、分配器和 CPU 接口,并清除 CPSR 中断屏蔽位。

中断分为3类:

SGI:软件生成中断(用于内核间,数量:0 -15)

PPI:私有外设中断(每核定时器编号:16-31),

SPI:共享外设中断(各种外设,数量:32-1020)

中断状态:

不活动(未断言),

待处理(源已断言,但未处理),

积极的,

活动和挂起(核心正在服务,gic 从同一源获得挂起中断)

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