【ARM裸板】ARM模式、异常与状态

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1.两种流程处理

• 1.查询方式
  • 特点：简单、但占用较多资源
• 2.中断方式
  • 特点：负责、但占用资源少

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• 常见的中断有（中断也是异常的一种）：
  • 按键（外部中断）、定时器中断、网络数据
• 常见的异常有
  • 指令异常、数据访问出错、Reset

2.中断处理过程

2.1 硬件初始化

• 设置中断源
• 设置中断控制器（屏蔽、优先级）
• 设置CPU总开关（使能中断）

2.2 执行程序

2.3 产生中断

• eg：

• CPU每执行完一条指令，都会检查有误异常（中断）产生
• 发现异常（中断）产生，开始处理
  • 对于不同的异常，会跳去不同的地址（异常向量）执行程序
  • 这些地址上，只是一条跳转指令（跳去执行其他函数）

2.4 执行中断

• 1.保存现场（各类寄存器）
• 2.中断处理
• 3.恢复现场

3.ARM的7种模式（Mode）

• 正常模式
  • User (usr): The normal ARM program execution state
    • 用户模式（不可以直接进入其他模式）
  • System (sys): A privileged user mode for the operating system
    • 系统模式

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• 异常模式

  • FIQ (fiq): Designed to support a data transfer or channel process
    • 快中断模式
  • IRQ (irq): Used for general-purpose interrupt handling
    • 中断模式
  • Supervisor (svc): Protected mode for the operating system
    • 管理模式
  • Abort mode (abt): Entered after a data or instruction prefetch abort
    • 中止模式
  • Undefined (und): Entered when an undefined instruction is executed
    • 未定义指令模式

• 除了用户模式以外的6中模式 成为特权模式（Privileged Mode），可以编程操作CPSR（当前程序状态寄存器）直接进入其他模式

• 不同模式是为了更好的应对所对应的异常（差别在于：寄存器的资源）

banker register 为备份寄存器，可以成为专属寄存器，R13（SP栈指针）、R14（LR返回地址）
SPSR（保存程序状态寄存器）：用来保存“被中断模式的CPSR”，相当于CPSR的备份寄存器，eg：当正处于User Mode，发生中断，进入IRQ Mode，SPSR_irq就保存了User Mode那一时刻的CPSR

3.1 异常向量表

4.ARM的2种状态（State）

• ARM State：

  • 使用ARM指令集，占据4个字节

• Thumb State：

  • 使用Thumb指令集，占据2个字节

• M0~M4：模式位 Mode bit （7种模式）

• T：状态位 State bits（ARM or Thumb）

5.异常的处理流程

5.1 进入异常

• 进入异常时的动作（硬件部分实现）
  • 1.异常模式下的LR存放 [被中断模式的下一条指令的地址]（PC+4/PC+8）
  • 2.异常模式下的SPSR = CPSR
  • 3.修改CPSR的[M4~M0]，进入异常模式
  • 4.跳到向量表

5.2 退出异常

• 退出异常时的动作（硬件部分实现）
  • 1.PC = 异常模式下的LR - Offest（offest根据下表来确定）\
  • 2.CPSR = 异常模式下的SPSR（恢复CPSR）
  • 3.清除中断标志位

6.程序以thumb指令集运行

6.1 gcc以thumb编译

• thumb指令集编译、使得代码以thunb状态运行,在makefile中的gcc编译加上-mthunb

• arm-linux-gcc -mthumb -c -o $@ $<

6.2 如何从arm切换至thumb

• [x]在start.S中需要使用ARM指令集的用.code 32指定，用thumb指令集的用.code 16指定

• 使用BX指令（其是ARM指令系统中的带状态切换跳转指令），BX命令后面的那个值如果最低位为1的话，则切换到thumb指令

.code 32
/*..............*/

	/* 从ARM State 切换到Thumb State*/
	adr r0,thumb_func
	add r0,r0,#1 /*bit0 = 1时,bx就会切换CPU状态至thumb state*/
	bx r0

.code 16
thumb_func:

 /*..............*/

6.3 注意

• 对于thumb指令，不能向PC直接赋值
  • eg:ldr pc, =main（这样不行），需要先把值赋值寄存器，再把寄存器赋值给PC

gcc disable built-in memcpy

• 当使用thumb编译时，gcc会调用memcy，我们可以把变量改成static（存放在data段），这样就不会让gcc去调用了