ARM處理器7種工作模式
時間：2023-09-11 來源：華清遠見
ARM處理器是當前嵌入式領域使用最多的處理器，我們在使用中一定注意處理器的工作模式，下面對ARM處理的工作模式進行描述
一、ARM體系的CPU有以下7種工作模式：
1、用戶模式(Usr)：用于正常執行程序；
2、快速中斷模式(FIQ)：用于高速數據傳輸；
3、外部中斷模式(IRQ)：用于通常的中斷處理；
4、管理模式(svc)：操作系統使用的保護模式；
5、數據訪問終止模式(abt)：當數據或指令預取終止時進入該模式，可用于虛擬存儲以及存儲保護；
6、系統模式(sys)：運行具有特權的操作系統任務；
7、未定義指令中止模式(und)：當未定義的指令執行時進入該模式，可用于支持硬件；
二、Arm的工作模式切換有兩種方法：
被動切換：在arm運行的時候產生一些異常或者中斷來自動進行模式切換
主動切換：通過軟件改變，即軟件設置寄存器來經行arm的模式切換，應為arm的工作模式都是可以通過相應寄存器的賦值來切換的。
Tips：當處理器運行在用戶模式下，某些被保護的系統資源是不能被訪問的。
除用戶模式外，其余6種工作模式都屬于特權模式；
特權模式中除了系統模式以外的其余5種模式稱為異常模式；
大多數程序運行于用戶模式；
進入特權模式是為了處理中斷、異常、或者訪問被保護的系統資源；
三、模式切換
當異常發生，CPU進入相應的異常模式時，以下工作是由CPU自動完成的：
1、在異常模式的R14中保存前一工作模式的下一條即將執行的指令地址；
2、將CPSR的值復制到異常模式的SPSR中；
3、將CPSR的工作模式設為該異常模式對應的工作模式；
4、令PC值等于這個異常模式在異常向量表中的地址，即跳轉去執行異常向量表中的相應指令；
從異常工作模式退回到之前的工作模式時，需要由軟件來完成以下工作：
1、將異常模式的R14減去一個適當的值（4或8）后賦給PC寄存器；
2、將異常模式SPSR的值賦給CPSR；
早期的ARM核有狀態（ARM或Thumb）切換（通過BX等指令修改CPSR寄存器（當前程序狀態寄存器，存放條件碼標志，中斷禁止位，當前處理器模式以及其他狀態和控制信息）中T的控制位完成程序狀態的切換），現在ARM都只使用Thumb狀態了。所以，我們不在討論狀態切換相關。
一、ARM七種工作模式及其應用場合（Linux操作系統使用了其中USR和SVC模式、出現異常時還可能通過進入其他模式轉為Linux內核態）
在CPSR寄存器中設置M[4:0]位，分別對應如下七種模式（注意：用戶模式和系統模式只有對CPSR的讀權限，因此、這兩種模式下不可以通過直接設置CPSR進入其他模式（SWI匯編指令除外））：
1.用戶模式（USR）:用于正常執行程序。在Linux操作系統中，用戶空間進程就是在這種模式下運行。CPSR寄存器M[4:0]設置10000。
2.系統模式（SYS）：運行有特權的操作系統任務。CPSR寄存器M[4:0]設置11011。
這個模式和用戶模式共用R15-pc（程序計數器，存放下一條指令所在單元的地址）的值，因此不用ARM強制賦值。
ARM進入以下幾種模式后，都需要給R15-PC寄存器重新賦值、也就是開始執行新的指令。
3.管理模式（SVC）：操作系統使用的保護模式（高權限）。在Linux操作系統中，內核空間在這種模式下運行。CPSR寄存器M[4:0]設置10011。
當ARM剛上電或復位時、進入該模式，并強制PC從0x0000 0000處取指令；當系統軟中斷（如系統調用，調用ARM的SWI匯編指令）時、進入該模式，并強制PC從0x0000 0008處取指令——這也是ARM從用戶模式主動切入管理模式（Linux從用戶態主動進入內核態）的唯一方法。
當出現異常狀況時，Linux還有可能在如下幾種ARM模式下運行；如硬件中斷、程序問題導致的異常等。
4.快速中斷模式（FIQ）：用于高速數據傳輸。CPSR寄存器M[4:0]設置10001。
進入該模式后、ARM強制PC從0x0000 001C處取指令。
5.外部中斷模式（IRQ）：用于通常的中斷處理。CPSR寄存器M[4:0]設置10010。
進入該模式后、ARM強制PC從0x0000 0018處取指令。
6.數據訪問終止模式（ABT）：當數據或指令預取終止時進入該模式，可用于虛擬內存及存儲保護。CPSR寄存器M[4:0]設置10111。
當指令取終止時、進入該模式，并強制PC從0x0000 000C處取指令；當數據取終止時、進入該模式；并強制PC從0x0000 0010處取指令。
7.未定義指令終止模式（UND）：當未定義的指令執行時進入該模式，可用于支持硬件。CPSR寄存器M[4:0]設置11111。
當程序中出現未定義的指令時、進入該模式，并強制PC從0x0000 0004處取指令。
在非user模式下的其他6中模式，有SVC，FIQ，IRQ，ABT，UND，SYS 都可以修改CPSR寄存器、從而控制ARM工作模式的切換。
在Linux操作系統中；當CPU處于特權模式（Linux處于內核態）時，可以隨意進入用戶態。而當CPU處于用戶模式（Linux處于用戶態）時，Linux從用戶態切換到內核態（ARM從用戶模式切換到其他特權模式）只有在系統調用和中斷（中斷進入IRQ模式，也可以操作內核）兩種情況下發生，一般程序一開始都是運行于用戶態，當程序需要使用系統資源時，就必須通過調用軟中斷進入內核態。
每一種工作模式的R13-SP（堆棧指針寄存器，在堆棧操作中使用）都是獨立的。因此，對程序中需要用到的每一種模式都要給SP定義一個堆棧地址。方法是改變狀態寄存器（CPSR）內的狀態位，使處理器切換到不同的狀態，然后給SP賦值。注意：不要切換到User模式進行User模式的堆棧設置，因為進入User模式后就不能再操作CPSR回到別的模式了，可能會對接下去的程序執行造成影響。
ARM在剛上電或復位后、進入SVC管理模式，并從0x0000 0000開始取指令；bootloader和Linux Kernel都是工作在此模式。
四、linux操作系統與ARM工作模式
首先，ARM開發板在剛上電或者復位后，都會首先進入SVC即管理模式，此時、程序計數器R15-PC會被自動賦值為0x0000 0000，bootloader就是在該模式下，位于0x0000 0000 的NOR FLASH或SRAM中裝載的，因此，開機或重啟后bootloader會被首先執行。
接著，bootloader引導linux內核，此時，linux內核仍然運行在SVC即管理模式下，當內核啟動完畢后，進入用戶態init進程時，內核將ARM的當前程序狀態CPSR寄存器M[4:0]設置為10000，進而用戶態程序只能運行在ARM的用戶模式。
由于ARM用戶模式下對資源的訪問時受限制的，因此，用戶態可以實現對linux操作系統內核保護的目的。
需要強調的是：Linux內核態是從ARM的SVC即管理模式下啟動的，但在某些情況下、如：硬件中斷、程序異常（被動）等情況下進入ARM的其他特權模式，這時仍然可以進入內核態（因為就是可以操作內核了）；同樣，Linux用戶態是從ARM用戶模式啟動的，但當進入ARM系統模式時、仍然可以操作Linux用戶態程序（進入用戶態，如init進程的啟動過程）。 即：Linux內核從ARM的SVC模式下啟動，但內核態不僅僅指ARM的SVC模式（還包括可以訪問內核空間的所有ARM模式）；Linux用戶程序從ARM的用戶模式啟動，但用戶態不僅僅指ARM的用戶模式。
