ARM七种运行模式.docx

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ARM七种运行模式

s3c2440中断体系结构：

如何用中断？

1.中断发生：

保存别人的状态

如何中断可以事先设置，对程序初始化，使能中断。

中断发生后，进入中断模式

2.中断处理

分辨中断源

进行不同的处理

清理工作

3.恢复别人的状态

过程：

外界信号上升沿、下降沿，高电平、低电平都可以设置成信号

引脚设置，再进入状态寄存器。

状态寄存器连接屏蔽寄存器

进入第二个状态寄存器，储存各种中断，可以储存多个中断

进入优先级寄存器，判断中断运行顺序

再进入屏蔽使能寄存器和模式寄存器

进入优先级寄存器

进入cpu处理

cpu的处理：

进入入口地址bhandleIRQ

计算返回地址，被中断处地址

保存现场，即各寄存器状态

调用处理函数

函数运行完后恢复现场

函数的处理：

分辨终端

处理中断

清除数据，即清除中断

1.中断寄存器

arm的七种模式

1.usr用户模式r0-r15

2.fiq快中断模式r0-r7

专用寄存器r8-r15，

3.svc管理模式

专用寄存器r13-r14，

4.abt数据访问终止模式

5.sys系统模式

6.und未定义指令终止模式

7.irq中断模式

几种模式的区别：

嵌入式的中断：

a.不同的寄存器

b.不同的权限

c.触发条件不一样

何时使用几种模式：

usr用户模式：

arm处理器正常的程序执行状态

fiq快中断模式：

高速数据传输和通道处理

svc管理模式：

操作系统使用的保护模式

abt数据访问终止模式：

数据或者指令终止时进入，用于虚拟存储或者存储保护

sys系统模式：

运行具有特权的操作系统任务

und未定义指令终止模式：

未定义的指令执行时进入该模式，用于支持硬件处理器的软件仿真.

irq中断模式：

用于通用的中断处理

后六种是特权模式，用于处理中断、异常和特殊权限处理

用户模式是最常见的模式

2.中断中的异常

中断是一种异常。

当发生中断时，cpu进入中断模式

cpu进入异常入口，异常入口是硬件规定的一个地址

运行模式

ARM920T支持7种运行模式：

●用户（usr））：

正常ARM程序执行状态

●快中断（fiq））：

为支持数据传输或通道处理设计

●中断（irq））：

用于一般用途的中断处理

●管理（svc））：

操作系统保护模式

●中止（abt）:

数据或指令预取中止后进入

●系统（sys））：

操作系统的特权用户模式

●未定义（und））：

执行了一个未定义指令时进入

模式的改变可由软件控制，或者由外部中断或进入异常引起。

大部分应用程序都将在用户模式执行。

被称为特权模式的非用户模式，都将进入到中断服务或异常中去，或者访问受保护的资源。

部寄存器

ARM920T总共有37个寄存器，其中31通用32位寄存器和6个状态寄存器，但不能在同一时刻对所有的寄存器可见。

处理器状态和运行模式决定了哪些寄存器对程序员可见。

ARM状态时部寄存器集在ARM状态，16个通用寄存器和一个状态寄存器在任意时刻都可见。

在特权（非用户）模式下，将切换到指定模式的分组（banked）寄存器。

图2-3显示了哪些寄存器在各模式下是可见的：

分组寄存器被标记了阴影三角形。

ARM状态时寄存器被设为包含16个直接可以访问的寄存器：

R0到R15。

除了R15，其他全部寄存器都为通用寄存器，如可能用于保存数据或地址值。

除此之外，还有第17个寄存器用于存储状态信息。

FIQ模式包含7个分组寄存器，分别映射到R8-14（R8_fiq-R14_fiq）。

在ARM状态，有很多不需要保存寄存器的FIQ处理程序。

用户，IRQ，管理中止和未定义模式都包含两个分组寄存器映射到R13和R14，允许这些模式都都包含私有堆栈指针和寄存器。

Thumb状态时部寄存器集

Thumb状态时的寄存器集为ARM状态时的寄存器的分配的一个子集。

程序员能够直接访问8个通用寄存器R0至R7，还有程序计数器（PC），一个堆栈指针寄存器（SP），一个寄存器（LR）和CPSR。

各自特权模式还分别有分组堆栈指针，寄存器和进程保存状态寄存器（SPSR）。

如图2-4所示。

Thumb状态访问高寄存器（Hi-Registers）

在Thumb状态，寄存器R8-R15（“Hiregisters”）不是标准的寄存器集的一部分。

然而，汇编语言程序员可以受限的对它们的进行访问，可以将它们用于快速暂存。

使用MOV指令的特殊变量可以将一个值从R0-R7（“Loregister”）围的寄存器传送到高寄存器或从高寄存器到第低寄存器。

使用CMP和ADD指令也可以对高寄存器的值与寄存器的值进行比较以或相加。

更多容请参考表3-34。

程序状态寄存器

ARM920T包含了一个当前程序状态寄存器（CurrentProgramStatusRegister-CPSR），还有5个用于异常程序处理的程序状态保存寄存器（SavedProgramStatusRegisters-SPSR）。

这些寄存器的功能为：

●保存最近已处理的ALU操作的信息

●控制中断的使能与禁止

●设置处理器的运行模式

图2-6显示了各位的编排

状态代码标志位

N，Z，C和V位为状态代码标志位。

算术或逻辑操作结果可能会改变这些位，并检验以决定是否应该执行某条指令。

在ARM状态，所有指令都可能为条件执行：

详情见表3-2。

在Thumb状态，只有分支指令才能条件执行：

详情见表3-46。

控制位

PSR（包含I，F，T和M[4:

0]）的末端8位，统称为控制位。

当发生异常时将会改变这些位。

如果处理器运行在特权模式，它们也可由软件控制。

异常：

程序暂时停止

当正常程序流程被暂时停止发生异常，例如响应一个来自外设的中断。

在处理异常前，必须保护当前的处理器状态，以便在完成处理程序后能恢复到原来的程序。

如果同时发生好几个异常，将会按照固定的顺序来分配，见P2-13的异常优先级。

进入异常行为

当处理一个异常时，ARM920T将会进行以下活动：

1.相应寄存器保存下条指令的地址。

如果在ARM状态进入异常，下条指令的地址将会复制到寄存器（当前PC+4或PC+8，由异常决定。

详情见表2-2）中。

如果在Thumb状态进入异常，写入寄存器的值则为当前PC偏移一个值，这样异常返回后程序能从正确的位置恢复。

这意味着异常处理不需要确定异常是从什么状态进入的。

例如，在SWI的情况，无论是在ARM状态还是Thumb状态执行SWI，MOVSPC,R14_svc语句都将返回到下一条指令。

2.复制CPSR的容到相应SPSR中。

3.根据异常类型强制将CPSR模式位设为某一个值。

4.强制PC从相关异常向量处取下条指令。

通常也会置位中断禁止标志位，以防止不同的难处理的异常嵌套。

如果一个异常发生时处理器处于Thumb状态，当装载异常向量地址到PC时会自动切换到ARM状态。

离开异常行为：

当异常结束，异常处理程序将会：

1.将寄存器适当减去一个偏移量并放入到PC中。

（偏移量由异常类型决定）

2.复制SPSR的容返回给CPSR中。

3.如果在异常进入时置位了中断禁止标志位异常，清除中断禁止标志位。

注意：

不需要在异常结束时切换回Thumb状态，因为在异常前会立刻保存CPSR中T位的值到SPSR中，并在退出异常时从SPSR恢复到CPSR中。

异常进入/退出总结

表2-2总结了进入异常时保存在相关R14中的PC值和被推荐的退出异常的指令。

注释：

1.此处PC为含预取中止的BL/SWI/未定义指令取指令的地址。

2.此处PC为由于FIQ或IRQ抢先而未执行的指令地址。

3.此处PC为发生了数据中止的Load或Store指令的地址。

4.当复位时保存在R14_svc的值将是不可预测的。

快中断FIQ

FIQ（快中断请求）异常是为支持数据传输或通道处理而设计的，在ARM状态拥有足够的私有寄存器来消除对寄存器保存的需求（这样最小化了对上下文的切换的开销）。

将nFIQ输入端拉低可以实现外部产生FIQ。

由ISYNC输入信号端的状态决定是同步还是异步传输。

当ISYNC为低电平，认为nFIQ和nIRQ为异步，中断前会引起同步周期延迟并影响处理器流程。

无论是从ARM还是Thumb状态进入的异常，FIQ处理时执行SUBSPC,R14_fiq,#4

时，都应该避免中断。

如果设置CPSR的F标志位，FIQ将会被禁止（但主义这不可能在用户模式中发生）。

如果F标志位为零，ARM920T将在每条指令末检测FIQ同步发生器的输出是否为低电平。

中断IRQ

IRQ（中断请求）异常是一个由nIRQ输入端的低电平产生的一个普通中断。

IRQ的优先级低于FIQ，当进入了相关的FIQ，会屏蔽IRQ。

除非是在特权（非用户）模式，其他任何时刻都禁止设置CPSR的I位。

无论是从ARM还是Thumb状态进入的异常，IRQ处理时执行SUBSPC,R14_fiq,#4

时，都应该避免中断。

中止

中止表示不能完成当前对存储器的访问。

通过外部ABORT输入端指示的。

ARM920T在存储器访问周期期间检测中止异常。

有两种类型的中止：

●预取中止（PrefetchAbort）：

发生在指令预取期间

●数据中止（DateAbort）：

发生在数据访问期间

如果发生预取中止，将屏蔽预取指并为无效，但并不会立刻带来异常，直到指令到达流水线的执行阶段才发生。

若未执行该指令，将不会发生中止，因为流水线发生了分支。

如果发生数据中止，由指令类型决定其行为：

●单一的数据转移指令（LDR，STR）回写到被修改的基址寄存器：

中止处理程序必须意识到这点。

●交换指令（SWP）执行失败，就如同没有被执行。

●块数据转移指令（LDM，STM）完成。

如果设置了回写，基址寄存器将被更新。

如果指令会覆盖基址寄存器数据（转移列表中包含基址），覆盖将会被阻止。

表明了中止后所有寄存器的覆盖都会被阻止，特别是R15（通常是最后转移的寄存器）在一个被中止的LDM指令会被阻止覆盖。

中止机制使得分页虚拟存储器系统可以被实现。

在这样一个系统中允许处理器产生任意地址。

当无法获取某一地址上的数据时，存管理单元（MemoryManagementUnit-MMU）将表明产生一个中止。

中止处理程序必须紧接着找出中止原因，使得被请求的数据可用并重试被中止的指令。

应用程序并不需要了解可以使用的存总量，也不需要关心中止对其状态以任何方式被影响。

当确定中止原因后，处理程序应该不顾状态（ARM或Thumb）执行下列语句：

SUBSPC,R14_abt,#4;预取中止

SUBSPC,R14_abt,#8;数据中止

这将恢复PC和CPSR，并重试被中止的指令。

软件中断SWI

软件中断指令（SoftwareInterruptInstruction-SWI）用于进入管理模式，通常请求一个特定的管理功能。

SWI处理程序应当在状态（ARM或Thumb）过执行下列指令返回：

MOVPC,R14_svc

这将恢复PC和CPSR，并返回到SWI之后的指令。

注意：

nFIQ，nIRQ，ISYNC，LOCK，BIGEND和ABORT引脚只存在于ARM920TCPU核之中。

未定义指令

当ARM920T遇到不能处理的指令时，将产生未定义指令陷阱。

这个机制可以用于软件仿真扩展Thhumb指令集或ARM指令集。

仿真了失败指令后，陷阱处理程序应该执行在状态（ARM或Thumb）中执行下列指令：

MOVSPC,R14_und

这将恢复CPSR，并返回到未定义指令之后的指令。

异常向量

下表显示了异常向量地址

异常优先级

当同时出现多个异常时，一个固定的优先级系统将确定它们的处理顺序：

高优先级：

1.复位

2.数据中止

3.快中断FIQ

4.中断IRQ

5.预取中止

低优先级：

6.未定义指令，软件中断

并不是所有的异常都可以在同一时刻发生！

未定义指令和软件中断异常互斥，因为它们分别对应于当前指令的的特定（非重叠）译码。

如果发生数据中止的同时发生FIQ并且又使能了FIQ（CPSR的F标志位被清零），ARM920T将先进入数据中止处理程序，然后立即转向FIQ向量。

当从FIQ正常返回将会引起数据中止处理程序恢复执行。

为了确保传输错误不会在检测中被遗漏，必须将数据中止置为比FIQ更高的优先级。

进入此异常的时间需要按加上最坏情况下FIQ的时间延迟来算。

中断延迟

当使能了FIQ，其最坏情况的延迟包括：

请求通过同步器的最长时间（Tsyncmax，如果为异步），加上完成最长指令的时间（Tldm，最长指令是装载包括PC在所有的寄存器的LDM指令），加上数据中止进入的时（Texc），

再加上FIQ进入的时间（Tfiq）。

在该时间末ARM920T将会执行位于0x1C处的指令。

Tsyncmax为3个才处理器周期，Tldm为20个周期，Texc为3个周期，Tfiq为2个周期。

因此总时间为28个处理器周期。

在一个使用连续20MHz处理器时钟的系统中，其只过了1.4毫秒。

最大IRQ延迟的计算与此类同，

但还必须实际考虑，FIQ具有更高的优先级并且能推迟任意长度的时间进入到IRQ处理程序。

FIQ或IRQ最小延迟包括请求通过同步器的最短时间（Tsyncmin）加上Tfiq。

此时为4个处理器周期。

复位

当nRESET信号端变为低电平时，ARM920T将放弃正在处理的指令，然后从递增（incrementing）字地址继续取指令。

当nRESET信号端变为高电平时，ARM920T将：

1.复制当前PC和CPSR的值覆盖到R14_svc和SPSR_svc中。

未定义保存的PC和SPSR的值

2.强制将M[4:

0]设置为10011（管理模式），置位CPSR中的I和F位并清除CPSR的T位。

3.强制PC从0x00地址开始对下一条指令的取指。

4.在ARM状态恢复执行。