《嵌入式工程师自我修养/C语言》系列——ARM处理器有哪些工作模式和寄存器？各寄存器作用是什么？
- 一、ARM处理器的工作模式及寄存器
- 1.1 ARM处理器的工作模式
- 1.2 ARM处理器中的寄存器
- 二、ARM 异常中断处理
- 2.1 什么是异常？异常向量表是什么？
- 2.2 异常的响应和返回流程
- 2.3 异常处理过程示例
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一、ARM处理器的工作模式及寄存器
1.1 ARM处理器的工作模式
ARM处理器有多种工作模式，如下表所示。应用程序正常运行时，ARM处理器工作在用户模式（User mode），当程序运行出错或有中断发生时，ARM处理器就会切换到对应的特权工作模式。
| 处理器模式 | 模式编码 | 模式介绍 |
|---|---|---|
| User mode | 0B10000 | 应用程序正常运行时的工作模式 |
| FIQ mode | 0B10001 | 快速中断模式，中断优先级比IRQ高，用于处理高优先级中断请求 |
| IRQ mode | 0B10010 | 中断模式 |
| Supervisor mode | 0B10011 | 管理模式，用于处理中断和异常，复位和软中断时一般会进入该模式 |
| Abort mode | 0B10111 | 用于处理内存访问错误，指令读取失败时会进入该模式 |
| Undefined mode | 0B11011 | CPU遇到无法识别的、未定义的指令，会进入该模式 |
| System mode | 0B11111 | 类似用户模式，但可以运行特权OS任务，如切换到其他模式 |
| Monitor mode | 0B10110 | 仅限于安全扩展 |
1.2 ARM处理器中的寄存器
在ARM处理器内部，除了基本的ALU和控制单元，还有一系列寄存器（推荐先阅读《CPU是如何工作的？什么是冯·诺依曼架构和哈弗架构？》），包括各种通用寄存器、状态寄存器、控制寄存器，用来控制处理器的运行，保存程序运行时的各种状态和临时结果，如下图所示。
ARM总共37个寄存器，但每种模式下最多只能访问18个。
总结：
1、7个模式中除了user是普通模式以外，其他6个都是特权模式
2、6个特权模式中，除了System模式以外，其他5个都是异常模式
3、模式的切换是通过代码写CPSR寄存器进行主动切换的，或者CPU自动切换
4、各种模式可访问的寄存器数量不同，操作权限不同，方便操作系统的安全等级需求
——引自：CSDN-图南楠：《ARM的工作模式和37个寄存器》
ARM处理器中的寄存器可分为通用寄存器和专用寄存器两种。寄存器R0～R12属于通用寄存器，除了FIQ工作模式，在其他工作模式下这些寄存器都是共用、共享的：
- R0～R3：通常用来传递函数参数；
- R4～R11：用来保存程序运算的中间结果或函数的局部变量等；
- R12：常用来作为函数调用过程中的临时寄存器。
除了这些在各个模式下通用的寄存器，还有1个R15寄存器固定用作PC，一个固定用作CPSR，还有一些寄存器在各自的工作模式下是独立存在的，如R13、R14、SPSR寄存器，在每个工作模式下都有自己单独的寄存器，各个寄存器功能描述如下：
- R13：堆栈指针寄存器（StackPointer，SP），用来维护和管理函数调用过程中的栈帧变化，R13总是指向当前正在运行的函数的栈帧，一般不能再用作其他用途；
- R14：链接寄存器（Link Register，LR），在函数调用过程中主要用来保存上一级函数调用者的返回地址；
- R15：程序计数器（Program Counter，PC），CPU从内存取指令执行，就是默认从PC保存的地址中取的（所以程序跳转时就是把目标地址代码放到PC中），每取一次指令，PC寄存器的地址值自动增加。
- CPSR：处理器状态寄存器（Current Processor State Register），主要用来表征当前处理器的运行状态。除了各种状态位、标志位，CPSR寄存器里也有一些控制位，用来切换处理器的工作模式和中断使能控制。该寄存器的详细说明如下图所示。
两条Tips📌：
- CPSR中的mode位（bit4～bit0共5位）决定了CPU的工作模式，在uboot代码中会使用汇编进行设置。
- CPSR中的T控制位（bit5共5位）决定了ARM内核的工作状态，如下所示：
-
ARM状态(T为0)：ARM处理器执行32位的ARM指令集：
- 异常中断时，需要使用ARM指令(ARM状态)；
- ARM处理器在上电开始执行代码时，只能处于ARM状态；
-
THUMB状态(T为1)：ARM微处理器执行16位的Thumb指令集。
-
- SPSR：程序状态保存寄存器（Saved Processor State Register），当ARM处理器切换工作模式或发生异常时，SPSR用来保存当前工作模式下的处理器现场，即将CPSR寄存器的值保存到当前工作模式下的SPSR寄存器。当ARM处理器从异常返回时，就可以从SPSR寄存器中恢复原先的处理器状态，切换到原来的工作模式继续运行。
Tip📌：
在ARM所有的工作模式中，有一种工作模式比较特殊，即FIQ模式。为了快速响应中断，减少中断现场保护带来的时间开销，在FIQ工作模式下，ARM处理器有自己独享的R8～R12寄存器。
二、ARM 异常中断处理
2.1 什么是异常？异常向量表是什么？
——异常
正常工作之外的流程都叫异常，中断是异常的一种。异常会打断正在执行的工作，并且一般我们希望异常处理完成后继续回来执行原来的工作。当 CPU 正常运行时，每执行完一条指令，PC 值都会增加 4 （即往后移动 32 位，指向下一条指令，thumb指令集PC步进为2）。
Tip📌：
异常和中断都是处理系统中突发事件的机制，请求处理器打断正常的程序执行流程，进入特定的处理或服务程序。但异常是意外操作引起，系统被动接受，与正在执行的指令有直接关系；中断是向处理器主动申请的，和正在执行的指令没有关系。
——异常向量表
所有的CPU都有异常向量表，这是CPU设计时就设定好的，是硬件决定的。当发生异常中断时的处理方式为：执行完当前指令后，保护现场并跳转到异常中断处理程序处（CPU 通过将 PC 值改为异常向量表中对应异常处理程序的地址，实现跳转）开始执行。处理程序执行完毕，再回到中断前的位置，恢复现场并继续执行。
Tip📌：异常向量表是硬件向软件提供的处理异常的支持。
向量表是异常的入口地址，发生对应异常时CPU会跳到对应的向量地址，然后再跳转到向量地址中的异常处理地址，实现异常处理。异常向量表一般都存在地址的最低端，异常类型、来源以及对应的地址分布如下表所示：
| 地址 | 异常 | 来源 |
|---|---|---|
| 0x00 | 复位（Reset） | 复位引脚有效（也是系统刚上电时 CPU 跑到的第一个地址） |
| 0x04 | 未定义指令（Undefined Instruction） | 读到了无法解码的指令 |
| 0x08 | 软件中断（SWI，Software Interrupt） | 指令引起的异常 |
| 0x0C | 指令预取中止（Prefetch） | 当程序试图执行一个非法的指令或没有执行权限的指令时，会产生该异常 |
| 0x10 | 数据访问终止（DataAbort） | 当程序试图访问一个非法的内存地址或没有访问权限的内存地址时，会产生该异常 |
| 0x14 | 无操作（NOP） | — |
| 0x18 | 外部中断（IRQ） | 当外部设备向处理器发出中断请求时，会产生该异常 |
| 0x1C | 快速中断（FIQ） | 当某些设备需要快速响应时，可以使用该异常，该异常的优先级高于IRQ异常 |
Tip📌：
在ARM中，向量表中0x14处的异常类型NOP指的是“无操作”（No Operation），也就是说，当处理器遇到该异常时，它不会执行任何操作，直接返回到下一条指令的执行。这个异常类型通常被用作调试或占位符，以确保向量表的每个条目都被占用，不会被其他异常类型所覆盖。
2.2 异常的响应和返回流程
——异常响应流程
- 把返回地址存入对应模式的 LR （即 R14 ，链接寄存器）；
- CPSR 存入对应 SPSR。这个 SPSR 指的是要跳到的中断模式的 SPSR，比如要从 USR 跳到 FIQ，那就把用户模式的 CPSR 送 FIQ 的SPSR；
- 重设 CPSR 各域值，实现把 CPU 切换到对应的模式，比如 FIQ 模式位就是 10001，然后就可以用该模式下的独立寄存器了；
- 设置 PC（ R15 ）为中断向量地址，实现强制跳转。
——异常返回流程
其中“将PC变回用户指令流中相应指令处”的实际操作时：LR 值减去偏移量后送 PC（减偏移量是因为异常来的时候，硬件可能来不及调整地址。下面是一些异常和对应返回的位置）：
| 异常 | 返回时LR取值 |
|---|---|
| 复位（Reset） | 不用返回原位置了 |
| 未定义指令（Undefined Instruction） | LRLR（无偏移） |
| 软件中断（SWI，Software Interrupt） | LR（无偏移） |
| 指令预取中止（Prefetch） | LR-4 |
| 数据访问终止（DataAbort） | LR-8 |
| 无操作（NOP） | — |
| 外部中断（IRQ） | LR-4 |
| 快速中断（FIQ） | LR-4 |
2.3 异常处理过程示例
AREA boot, CODE, READONLY
ENTRYLDR PC, Reset_Add @ 中断向量表LDR PC, Undefined_Add@...LDR PC, FIQ_AddReset_Add DCD Start_Boot @ 中断处理程序入口，放在内存中@ DCD：分配一段连续的空间并初始化@ 含义：标号 Reset_Add 的值为 Start_Boot 起的一段
Undefined_Add DCD Undefined_Handler
@...
FIQ_Add DCD FIQ_Handler
Start_Boot @...进行实际处理的代码，即中断处理程序实现
Undefined_Handler @...进行实际处理的代码
FIQ_Handler @...进行实际处理的代码
Tip📌：这个可以当模板用，其他的中断处理也就是改改调用的函数。
EXPORT IRQ_Handler @ EXPORT，声明全局标号，全程序可见，可在其他文件中引用
AREA IRQ_Handler, CODE, READONLY
SUB LR, LR, #0x4 @ 设置返回地址为 LR-4
STMFD SP!, {R0-R12, LR} @ 寄存器压栈，保护现场。进中断后这些寄存器随便用
MRS R4, SPSR @ SPSR 存 R4
STMFD SP!, {R4} @ 压栈，R4 存入 SP 指向的内存位置（即栈顶）
BL IRQ_Function @ 跳转到真正的中断处理子函数
LDMFD SP!, {R4} @ 恢复
MSR SPSR_cxsf, R4 @ cxsf是指四个8位的域，此处是整个32位寄存器
LDMFD SP!, {R0-R12, PC}^ @ 恢复现场并返回
END
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