淺談ARM體系CPU的7種工作模式

ARM有37個(gè)寄存器，其中31個(gè)通用寄存器，6個(gè)狀態(tài)寄存器。本文主要討論的是ARM體系的CPU的7種工作模式。

一、存儲(chǔ)器格式(字對(duì)齊)

Arm體系結(jié)構(gòu)將存儲(chǔ)器看做是從零地址開始的字節(jié)的線性組合。從零字節(jié)到三字節(jié)放置第一個(gè)存儲(chǔ)的字(32位)數(shù)據(jù)，從第四個(gè)字節(jié)到第七個(gè)字節(jié)放置第二個(gè)存儲(chǔ)的字?jǐn)?shù)據(jù)，一次排列。作為32位的微處理器，arm體系結(jié)構(gòu)所支持的最大尋址空間為4GB。

存儲(chǔ)器格式

1、大端格式：高字節(jié)在低地址，低字節(jié)在高地址;

2、小端格式：高字節(jié)在高地址，低字節(jié)在低地址。

指令長度

Arm微處理器的指令長度是32位的，也可以為16位(thumb狀態(tài)下)。Arm微處理器中支持字節(jié)(8位)，半字(16位)，字(32位)三種數(shù)據(jù)類型，其中，字需要4字節(jié)對(duì)齊，半字需要2字節(jié)對(duì)齊。

注：所謂的指令長度是一條完整的指令的長度，而不是單純的mov這3個(gè)字母長度。

二、ARM體系的CPU有兩種工作狀態(tài)

1、ARM狀態(tài)：處理器執(zhí)行32位的字對(duì)齊的ARM指令;

2、Thumb狀態(tài)：處理器執(zhí)行16位的、半字對(duì)齊的Thumb指令。

在程序運(yùn)行的過程中，可以在兩種狀態(tài)之間進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換。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(yīng)寄存器中的內(nèi)容。

CPU上電處于ARM狀態(tài)。

三、ARM體系的CPU有以下7種工作模式

1、用戶模式(Usr)：用于正常執(zhí)行程序;

2、快速中斷模式(FIQ)：用于高速數(shù)據(jù)傳輸;

3、外部中斷模式(IRQ)：用于通常的中斷處理;

4、管理模式(svc)：操作系統(tǒng)使用的保護(hù)模式;

5、數(shù)據(jù)訪問終止模式(abt)：當(dāng)數(shù)據(jù)或指令預(yù)取終止時(shí)進(jìn)入該模式，可用于虛擬存儲(chǔ)以及存儲(chǔ)保護(hù)。

6、系統(tǒng)模式(sys)：運(yùn)行具有特權(quán)的操作系統(tǒng)任務(wù);

7、未定義指令中止模式(und)：當(dāng)未定義的指令執(zhí)行時(shí)進(jìn)入該模式，可用于支持硬件。

CPU的模式可以簡單的理解為當(dāng)前CPU的工作狀態(tài)，比如：當(dāng)前操作系統(tǒng)正在執(zhí)行用戶程序，那么當(dāng)前CPU工作在用戶模式，這時(shí)網(wǎng)卡上有數(shù)據(jù)到達(dá)，產(chǎn)生中斷信號(hào)，CPU自動(dòng)切換到一般中斷模式下處理網(wǎng)卡數(shù)據(jù)(普通應(yīng)用程序沒有權(quán)限直接訪問硬件)，處理完網(wǎng)卡數(shù)據(jù)，返回到用戶模式下繼續(xù)執(zhí)行用戶程序。

特權(quán)模式

除用戶模式外，其它模式均為特權(quán)模式(Privileged Modes)。ARM內(nèi)部寄存器和一些片內(nèi)外設(shè)在硬件設(shè)計(jì)上只允許(或者可選為只允許)特權(quán)模式下訪問。此外，特權(quán)模式可以自由的切換處理器模式，而用戶模式不能直接切換到別的模式。

異常模式

特權(quán)模式中除系統(tǒng)(system)模式之外的其他5種模式又統(tǒng)稱為異常模式。它們除了可以通過在特權(quán)下的程序切換進(jìn)入外，也可以由特定的異常進(jìn)入。比如硬件產(chǎn)生中斷信號(hào)進(jìn)入中斷異常模式，讀取沒有權(quán)限數(shù)據(jù)進(jìn)入中止異常模式，執(zhí)行未定義指令時(shí)進(jìn)入未定義指令中止異常模式。其中管理模式也稱為超級(jí)用戶模式，是為操作系統(tǒng)提供軟中斷的特有模式，正是由于有了軟中斷，用戶程序才可以通過系統(tǒng)調(diào)用切換到管理模式 。

(1)用戶模式

用戶模式是用戶程序的工作模式，它運(yùn)行在操作系統(tǒng)的用戶態(tài)，它沒有權(quán)限去操作其它硬件資源，只能執(zhí)行處理自己的數(shù)據(jù)，也不能切換到其它模式下，要想訪問硬件資源或切換到其它模式只能通過軟中斷或產(chǎn)生異常。

(2)系統(tǒng)模式

系統(tǒng)模式是特權(quán)模式，不受用戶模式的限制。用戶模式和系統(tǒng)模式共用一套寄存器，操作系統(tǒng)在該模式下可以方便的訪問用戶模式的寄存器，而且操作系統(tǒng)的一些特權(quán)任務(wù)可以使用這個(gè)模式訪問一些受控的資源。

(3)一般中斷模式

一般中斷模式也叫普通中斷模式，用于處理一般的中斷請(qǐng)求，通常在硬件產(chǎn)生中斷信號(hào)之后自動(dòng)進(jìn)入該模式，該模式為特權(quán)模式，可以自由訪問系統(tǒng)硬件資源。

(4)快速中斷模式

快速中斷模式是相對(duì)一般中斷模式而言的，它是用來處理對(duì)時(shí)間要求比較緊急的中斷請(qǐng)求，主要用于高速數(shù)據(jù)傳輸及通道處理中。

(5)管理模式

管理模式是CPU上電后默認(rèn)模式，因此在該模式下主要用來做系統(tǒng)的初始化，軟中斷處理也在該模式下，當(dāng)用戶模式下的用戶程序請(qǐng)求使用硬件資源時(shí)通過軟件中斷進(jìn)入該模式。

(6)終止模式

中止模式用于支持虛擬內(nèi)存或存儲(chǔ)器保護(hù)，當(dāng)用戶程序訪問非法地址，沒有權(quán)限讀取的內(nèi)存地址時(shí)，會(huì)進(jìn)入該模式，Linux下編程時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)的segment fault通常都是在該模式下拋出返回的。

(7)

未定義模式

未定義模式用于支持硬件協(xié)處理器的軟件仿真，CPU在指令的譯碼階段不能識(shí)別該指令操作時(shí)，會(huì)進(jìn)入未定義模式。