ARM通用寄存器和异常处理

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一、ARM的编程模式和7种工作模式

1、ARM的基本设定

  • ARM 采用的是32位架构.
  •  ARM 约定:
    • Byte :     8 bits
    • Halfword :16 bits (2 byte)
    • Word :       32 bits (4 byte)

大部分ARM core 提供:

    • ARM 指令集(32-bit)
    • Thumb 指令集(16-bit )
    • Thumb2指令集(16 & 32bit)(集合了上边两个,现在大部分用的是这个)
  • Jazelle cores 支持 Java bytecode

2、ARM的处理器工作模式

分为非特权模式和特权模式:User为非特权模式,其他六种均为特权模式。

特权模式又分为两种:一种是异常模式(中间五个),另一种是系统模式。

非特权模式:

  • User : 非特权(用户)模式,大部分任务执行在这种模式

特权模式:

       异常模式:

    • FIQ :   当一个高优先级(fast) 中断产生时将会进入这种模式
    • IRQ :   当一个低优先级(normal) 中断产生时将会进入这种模式
    • Supervisor :当复位或软中断指令执行时将会进入这种模式
    • Abort : 当存取异常时将会进入这种模式
    • Undef : 当执行未定义指令时会进入这种模式

系统模式:

  • System : 使用和User模式相同寄存器集的特权模式

注意

  • 除User(用户模式)是Normal(普通模式)外,其他6种都是Privilege(特权模式)。
  • Privilege(特权模式)中除Sys模式外,其余5种为异常模式。
  • 各种模式的切换,可以是程序员通过代码主动切换(通过写CPSR寄存器);也可以是CPU在某些情况下自动切换。
  • 各种模式下权限和可以访问的寄存器不同。

3、cpu为什么要设计这些模式

  • CPU是硬件,OS是软件,软件的设计要依赖硬件的特性,硬件的设计要考虑软件需要,便于实现软件特性。
  • 操作系统有安全级别要求,因此CPU设计多种模式是为了方便操作系统的多种角色安全等级需要。

二、ARM CPU本身自带的37个通用寄存器

特殊功能寄存器有特定的地址用来访问。通用型寄存器没有特定的地址,但是有特定的名字,可以通过名字访问。

  1. ARM总共有37个寄存器,但是每种模式下最多只能看到18个寄存器,其他寄存器虽然名字相同但是在当前模式下不可见。
  2. 对r13这个名字来说,在ARM 中共有6个名叫r13(又叫sp)的寄存器,但是在每种特定CPU模式下只有一种r13可见,其他的r13必须切换到他的对应模式下才能看到,这种设计叫影子寄存器(banked register)。

  1. sp指针表示栈指针,是程序工作区。
  2. lr用来做返回控制,用来存储返回值(函数调用返回值)。
  3. pc表示程序控制寄存器,用来存储程序执行在哪。

          PC(Program control register)为程序指针,PC指向哪里,CPU就会执行哪条指令(所以程序跳转时就是把目标地址代码放到PC中),整个CPU中只有一个PC。

      4、cpsr是程序状态寄存器,用来记录当前CPU的运行状态。

      5、spsr是用来保存cpsr。(示例:当从USER转换到IRQ模式时,将USER的状态保存到IRQ的spsr中)

      6、总结:

              ARM共有37个寄存器,都是32位长度,37个寄存器中30个为“通用”型,1个固定用作PC,一个固定用作CPSR,5个固定用作5种异常模式下的SPSR。

      7、CPSR程序状态寄存器

         CPSR中各个bit位表明了CPU的某些状态信息,这些信息非常重要,和后面学到的汇编指令息息相关(譬如BLE指令中的E就和CPSR中的Z标志位有关)。

         CPSR中的I、F位和开中断、关中断有关。

         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。

         Q位和J位一般用不到。

         N、Z、C、V位表示条件位:N表示返回负,Z表示返回0,C表示进位,V表示溢出。平时均为0,发生时变为1,是程序自动置1

 

二、ARM的异常处理方式简单介绍

  1. 什么是异常
  1. 正常工作之外的流程都叫异常
  2. 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
  3. 中断是异常的一种
  1. ARM有五种异常模式
  1. FIQ :   当一个高优先级(fast) 中断产生时将会进入这种模式
  2. IRQ :   当一个低优先级(normal) 中断产生时将会进入这种模式
  3. Supervisor :当复位或软中断指令执行时将会进入这种模式
  4. Abort : 当存取异常时将会进入这种模式
  5. Undef : 当执行未定义指令时会进入这种模式
  1. 异常向量表
  1. 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。
  2. 当异常发生时,CPU会自动动作(PC跳转到异常向量处处理异常,有时伴有一些辅助动作)
  3. 异常向量表是硬件向软件提供的处理异常的支持。

4、ARM的异常处理机制

  • 当异常产生时, ARM core:
    • 自动拷贝 CPSR 到 SPSR_<mode>(保存当前的状态)
    • CPU自动设置适当的 CPSR 位:
      • 改变处理器状态进入 ARM 态(CPSR中的T位)
      • 改变处理器模式进入相应的异常模式(CPSR中的Mode位)
      • 设置中断禁止位禁止相应中断 (如果需要) (CPSR中的I和F位)
    • 保存返回地址到 LR_<mode>(将异常时的地址保存到异常模式下的LR中,方便返回)
    • 设置 PC 为相应的异常向量(为PC设置异常向量表中的地址)
  • 返回时, 异常处理需要:
    • 从 SPSR_<mode>恢复CPSR(恢复发生异常时的状态)
    • 从LR_<mode>恢复PC (恢复到发生异常时程序运行处)
    • Note:这些操作只能在 ARM 态执行.

5、总结

  • 异常处理中有一些是硬件自动做的,有一些是程序员需要自己做的。需要搞清楚哪些是需要自己做的,才知道如何写代码。
  • 以上说的是CPU设计时提供的异常向量表,一般成为一级向量表。有些CPU为了支持多个中断,还会提供二级中断向量表,处理思路类似于这里说的一级中断向量表。