《ARM與Linux些許問題》第一章：ARM工作模式

早期的ARM核有狀態(tài)（ARM或Thumb）切換（通過BX等指令修改CPSR寄存器（當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器，存放條件碼標(biāo)志，中斷禁止位，當(dāng)前處理器模式以及其他狀態(tài)和控制信息）中T的控制位完成程序狀態(tài)的切換），現(xiàn)在ARM都只使用Thumb狀態(tài)了。所以，我們不在討論狀態(tài)切換相關(guān)。

一、ARM七種工作模式及其應(yīng)用場合（Linux操作系統(tǒng)使用了其中USR和SVC模式、出現(xiàn)異常時(shí)還可能通過進(jìn)入其他模式轉(zhuǎn)為Linux內(nèi)核態(tài)）

在CPSR寄存器中設(shè)置M[4:0]位，分別對應(yīng)如下七種模式（注意：用戶模式和系統(tǒng)模式只有對CPSR的讀權(quán)限，因此、這兩種模式下不可以通過直接設(shè)置CPSR進(jìn)入其他模式（SWI匯編指令除外））：

1.用戶模式（USR）:用于正常執(zhí)行程序。在Linux操作系統(tǒng)中，用戶空間進(jìn)程就是在這種模式下運(yùn)行。CPSR寄存器M[4:0]設(shè)置10000。

2.系統(tǒng)模式（SYS）：運(yùn)行有特權(quán)的操作系統(tǒng)任務(wù)。CPSR寄存器M[4:0]設(shè)置11011。

這個(gè)模式和用戶模式共用R15-pc（程序計(jì)數(shù)器，存放下一條指令所在單元的地址）的值，因此不用ARM強(qiáng)制賦值。

ARM進(jìn)入以下幾種模式后，都需要給R15-PC寄存器重新賦值、也就是開始執(zhí)行新的指令。

3.管理模式（SVC）：操作系統(tǒng)使用的保護(hù)模式（高權(quán)限）。在Linux操作系統(tǒng)中，內(nèi)核空間在這種模式下運(yùn)行。CPSR寄存器M[4:0]設(shè)置10011。

當(dāng)ARM剛上電或復(fù)位時(shí)、進(jìn)入該模式，并強(qiáng)制PC從0x0000 0000處取指令；當(dāng)系統(tǒng)軟中斷（如系統(tǒng)調(diào)用，調(diào)用ARM的SWI匯編指令）時(shí)、進(jìn)入該模式，并強(qiáng)制PC從0x0000 0008處取指令——這也是ARM從用戶模式主動切入管理模式（Linux從用戶態(tài)主動進(jìn)入內(nèi)核態(tài)）的唯一方法。后面章節(jié)會詳細(xì)分析。

《ARM與Linux些許問題》第三章：Linux如何從用戶態(tài)進(jìn)入內(nèi)核態(tài)

《ARM與Linux些許問題》第四章：ARM平臺系統(tǒng)調(diào)用原理分析

當(dāng)出現(xiàn)異常狀況時(shí)，Linux還有可能在如下幾種ARM模式下運(yùn)行；如硬件中斷、程序問題導(dǎo)致的異常等。

4.快速中斷模式（FIQ）：用于高速數(shù)據(jù)傳輸。CPSR寄存器M[4:0]設(shè)置10001。

進(jìn)入該模式后、ARM強(qiáng)制PC從0x0000 001C處取指令。

5.外部中斷模式（IRQ）：用于通常的中斷處理。CPSR寄存器M[4:0]設(shè)置10010。

進(jìn)入該模式后、ARM強(qiáng)制PC從0x0000 0018處取指令。

6.數(shù)據(jù)訪問終止模式（ABT）：當(dāng)數(shù)據(jù)或指令預(yù)取終止時(shí)進(jìn)入該模式，可用于虛擬內(nèi)存及存儲保護(hù)。CPSR寄存器M[4:0]設(shè)置10111。

當(dāng)指令取終止時(shí)、進(jìn)入該模式，并強(qiáng)制PC從0x0000 000C處取指令；當(dāng)數(shù)據(jù)取終止時(shí)、進(jìn)入該模式；并強(qiáng)制PC從0x0000 0010處取指令。

7.未定義指令終止模式（UND）：當(dāng)未定義的指令執(zhí)行時(shí)進(jìn)入該模式，可用于支持硬件。CPSR寄存器M[4:0]設(shè)置11111。

當(dāng)程序中出現(xiàn)未定義的指令時(shí)、進(jìn)入該模式，并強(qiáng)制PC從0x0000 0004處取指令。

在非user模式下的其他6中模式，有SVC，F(xiàn)IQ，IRQ，ABT，UND，SYS 都可以修改CPSR寄存器、從而控制ARM工作模式的切換。

在Linux操作系統(tǒng)中；當(dāng)CPU處于特權(quán)模式（Linux處于內(nèi)核態(tài)）時(shí)，可以隨意進(jìn)入用戶態(tài)。而當(dāng)CPU處于用戶模式（Linux處于用戶態(tài)）時(shí)，Linux從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)（ARM從用戶模式切換到其他特權(quán)模式）只有在系統(tǒng)調(diào)用和中斷（中斷進(jìn)入IRQ模式，也可以操作內(nèi)核）兩種情況下發(fā)生，一般程序一開始都是運(yùn)行于用戶態(tài)，當(dāng)程序需要使用系統(tǒng)資源時(shí)，就必須通過調(diào)用軟中斷進(jìn)入內(nèi)核態(tài)。

每一種工作模式的R13-SP（堆棧指針寄存器，在堆棧操作中使用）都是獨(dú)立的。因此，對程序中需要用到的每一種模式都要給SP定義一個(gè)堆棧地址。方法是改變狀態(tài)寄存器（CPSR）內(nèi)的狀態(tài)位，使處理器切換到不同的狀態(tài)，然后給SP賦值。注意：不要切換到User模式進(jìn)行User模式的堆棧設(shè)置，因?yàn)檫M(jìn)入U(xiǎn)ser模式后就不能再操作CPSR回到別的模式了，可能會對接下去的程序執(zhí)行造成影響。

ARM在剛上電或復(fù)位后、進(jìn)入SVC管理模式，并從0x0000 0000開始取指令；bootloader和Linux Kernel都是工作在此模式。

二、ARM工作模式切換的兩種方法

1.被動切換：是指ARM在當(dāng)前工作模式下，沒有要求模式切換、而被動地進(jìn)入另外一種模式。在ARM運(yùn)行的時(shí)候產(chǎn)生一些異常（包括軟中斷）或者中斷（硬中斷）來進(jìn)行模式切換。如上邊提到的Linux操作系統(tǒng)從用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)，如硬件中斷或程序異常。內(nèi)核態(tài)不會被動切換到用戶態(tài)。

2.主動切換：是指ARM在當(dāng)前工作模式下，通過一些自主操作、主動的要求切換工作模式。ARM通過軟件改變，即軟件設(shè)置寄存器來進(jìn)行ARM的模式切換，因?yàn)锳RM的工作模式都是可以通過相應(yīng)寄存器的賦值來切換的。如上邊提到的Linux操作系統(tǒng)從內(nèi)核態(tài)到用戶態(tài)；這里邊有一個(gè)比較特殊的情況：Linux用戶態(tài)可以通過系統(tǒng)調(diào)用主要要求切換到內(nèi)核態(tài)。

后邊，我還會分析重點(diǎn)分析從Linux從用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換。見《ARM與Linux些許問題》第三章：Linux如何從用戶態(tài)進(jìn)入內(nèi)核態(tài)

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ARM主要寄存器匯總：

CPSR及SPSR：當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器和保存程序狀態(tài)寄存器；

R15-PC及R14-LR：程序計(jì)數(shù)器和用戶保存PC的連接寄存器；

R13-SP：堆棧指針。