ARM 处理器工作状态与工作模式 ARM 体系结构所支持的异常

一个宇宙通用的事实是：结构决定功能！

我们以典型的ARM嵌入式处理器内核的一般特征为例，，看看ARM设想的功能是如何被“构造”出来的。。。。

主要说两个内容：

• ARM处理器工作状态与工作模式 • ARM体系结构所支持的异常

基础概念

字（Word）：在ARM体系结构中，字的长度为32位（在8位/16位处理器体系结构中，字的长度一般为16位）。

• 半字（Half-Word）：在ARM体系结构中，半字的长度为16位，与8位/16位处理

器体系结构中字的长度一致。 • 字节（Byte）：在ARM体系结构和8位/16位处理器体系结构中，字节的长度均为8

位。

问：计算机存储设备是按______ (A：字Word，B：半字Half-Word，C：字节Byte)编址的。

处理器工作状态

ARM状态：正在执行ARM指令的处理器的状态。 Thumb状态：正在执行Thumb指令的处理器的状态。

不同的状态下，代码密集度不同，， ARM状态按字（32位）存储代码， Thumb状态按半字（16位）存储代码，

这种特性有利于我们在必要的时候调整单位存储空间的代码容量，压缩代码占用空间。 这两个状态可以根据情况软件切换，，， 后面我们还会再次提到这个话题，，，

Note：对于ARM 32位处理器，两种状态下代码存储密集度不同，但在执行时仍是32位的！ 这就是说，代码可以压缩，但执行效率并不会下降，CPU仍是按字执行的啊！

不过，Thumb状态下的指令的使用有某些限制，属于ARM状态下的指令的一个子集。。。

另外，调整代码密集度的优点在后来的ARM一些版本中可以自动切换，，，不需要程序员再过多费神，

这就是所谓Thumb2状态：一种混合型指令集，降低功耗 具有高代码压缩性

处理器工作模式

回顾，前面说过ARM内核采用了大量内部寄存器的特性，，以便有利于支持流水线技术，，， 那么这些“大量内部寄存器”如何运作？

工作模式本质上就是指内核中的这堆寄存器的功能分配和使用方法

ARM处理器内部寄存器

一起看，，这里一共有37个32位寄存器

• 其中，31个通用寄存器，包括程序寄存器（PC）； • 6个状态寄存器：。。。 •

程序计数器R15

关于计数器R15，分析如下： 实际R15也就是个普通的寄存器

1） 只是把它约定为用来存放取指的地址，，，， 2） 由于处于指令流水线中，R15的取指地址与当前正在执行的指令有某种可以推算的关系，， 假定指令流水线为3级流水线（指令从取指到执行中间分3道工序同时进行：取指、译码、执行），

这时PC值（取指地址）与当前正在执行的那个指令的地址之间应是下图的关系

3）从指令地址特征来看，

因为ARM指令统一设计为占一个字长，，那么指令地址的末两位总是为0

问题， 为什么FIQ模式下相对来说可以加速处理速度？

注意，用户模式和系统模式公用R13和R14寄存器，，， 联想操作系统的用户态和内核态，，，这里就是为实现操作系统级别的管理提供硬件层面的支持的机制，，，

本质上R13、R14也是个通用寄存器，即一处能存放数据的空间，，只是处理器内核将R13一般用来作为堆栈指针，，将R14用作链接寄存器，，，

关于R14作为程序返回地址的作用的示意图

Note：

在程序发生跳转的同时，相应模式下的LR存储了发生跳转时的指令的下一条指令的地址，即程序返回地址。

当前程序状态寄存器CPSR和保存程序状态寄存器SPSR

程序状态寄存器CPSR的位功能

以上寄存器组从硬件层面支持的ARM典型的工作模式：

模式 用户（User） 快速中断（FIQ） 外部中断（IRQ） 管理（Supervisor） 数据访问中止（Abort） 系统（System） 未定义（Undifined）

模式描述 ARM处理器正常的程序执行状态 用于高速数据传输或通道处理 用于通用的中断处理 操作系统保护模式 实现虚拟存储器和存储器保护 运行特权操作系统任务 支持硬件协处理器的软件仿真

以上七种硬件支持的工作模式的改变 可能存在两种方式： 1）通过软件控制改变 2）外部中断或异常处理

问题：初始运行模式，和工作状态是什么？

怎样用软件控制改变工作模式，，在后面讲指令系统时还会提到。

异常种类与优先级

现在看导致模式转换的另一种可能：外部中断或异常处理

所谓异常 是由内部或外部资源产生引起的处理器处理的一个事件。。。。

其实，中断是属于异常的子集的，也就是说中断其实是异常其中的一种。

首先，看ARM支持的异常种类 ARM支持7中异常：

• 1． 复位

• 2． 数据中止 • 3． FIQ • 4． IRQ

• 5． 预取中止

• 6． 未定义指令，软件中断

异常发生时，处理器怎样处理？ 每个异常都有固定的入口地址

即当异常事件发生时，处理器从一个固定的入口处执行指令

异常的响应

• A 数据入栈；将CPSR 拷贝到相应的SPSR； • B 根据异常情况设置CPSR 中模式位

• C 在合适的连接寄存器中保存下一条指令的地址 • D 根据异常向量设置PC，预取下一条指令

Note: 以上操作，并不是纯软件的顺序处理，而是硬件层面的支持，我们不去区分其实际上执行的先后，，而是在逻辑上认为 同时进行 相应的有

异常处理完成时

• A 恢复原来被保护的用户寄存器 • B 将SPSR 的值拷贝回CPSR

• C 将PC值恢复成相应异常下的断点地址，准备执行原来中断前的程序。 • D 如果在进入异常时设置了中断禁止位，离开时需要清除。

补充：

问：假设当有两种或多种异常同时发生，如何处理？

这引出异常优先级的问题：不同的中断处于不同的处理模式，具有不同的优先级 看下表：

一个特殊的异常处理过程：复位异常

当nRESET信号由低变为高电平时：

1 ）强制CPSR中M[4:0]变为B10011（管理模式）； 2） 置位CPSR中的I和F； 3） 清零CPSR中的T位；

4） 强制PC从地址0x00开始取指令； 5） 系统返回到ARM状态并恢复执行

最后，我们非标准地做如下总结，以助于理解，

我们可以发现arm的7种工作模式其实是和arm的异常向量表有着一定的对应关系的。 这就好像一个医务室，有普通门诊，有特殊处理间，， 一般情况下，普通门诊就可以应对（运行在用户模式下）

当发生特殊事件（外部事件引起中断）或内部运作中机制中产生的特殊情况（异常处理），需要进入相应的特殊处理间进行处理。。。 （每个特殊处理间的入口是固定的）