【ARM裸板】ARM模式、異常與狀態

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1.兩種流程處理

• 1.查詢方式
  • 特點：簡單、但佔用較多資源
• 2.中斷方式
  • 特點：負責、但佔用資源少

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• 常見的中斷有（中斷也是異常的一種）：
  • 按鍵（外部中斷）、定時器中斷、網絡數據
• 常見的異常有
  • 指令異常、數據訪問出錯、Reset

2.中斷處理過程

2.1 硬件初始化

• 設置中斷源
• 設置中斷控制器（屏蔽、優先級）
• 設置CPU總開關（使能中斷）

2.2 執行程序

2.3 產生中斷

• eg：

• CPU每執行完一條指令，都會檢查有誤異常（中斷）產生
• 發現異常（中斷）產生，開始處理
  • 對於不同的異常，會跳去不同的地址（異常向量）執行程序
  • 這些地址上，只是一條跳轉指令（跳去執行其他函數）

2.4 執行中斷

• 1.保存現場（各類寄存器）
• 2.中斷處理
• 3.恢復現場

3.ARM的7種模式（Mode）

• 正常模式
  • User (usr): The normal ARM program execution state
    • 用戶模式（不可以直接進入其他模式）
  • System (sys): A privileged user mode for the operating system
    • 系統模式

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• 異常模式

  • FIQ (fiq): Designed to support a data transfer or channel process
    • 快中斷模式
  • IRQ (irq): Used for general-purpose interrupt handling
    • 中斷模式
  • 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
    • 未定義指令模式

• 除了用戶模式以外的6中模式 成爲特權模式（Privileged Mode），可以編程操作CPSR（當前程序狀態寄存器）直接進入其他模式

• 不同模式是爲了更好的應對所對應的異常（差別在於：寄存器的資源）

banker register 爲備份寄存器，可以成爲專屬寄存器，R13（SP棧指針）、R14（LR返回地址）
SPSR（保存程序狀態寄存器）：用來保存“被中斷模式的CPSR”，相當於CPSR的備份寄存器，eg：當正處於User Mode，發生中斷，進入IRQ Mode，SPSR_irq就保存了User Mode那一時刻的CPSR

3.1 異常向量表

4.ARM的2種狀態（State）

• ARM State：

  • 使用ARM指令集，佔據4個字節

• Thumb State：

  • 使用Thumb指令集，佔據2個字節

• M0~M4：模式位 Mode bit （7種模式）

• T：狀態位 State bits（ARM or Thumb）

5.異常的處理流程

5.1 進入異常

• 進入異常時的動作（硬件部分實現）
  • 1.異常模式下的LR存放 [被中斷模式的下一條指令的地址]（PC+4/PC+8）
  • 2.異常模式下的SPSR = CPSR
  • 3.修改CPSR的[M4~M0]，進入異常模式
  • 4.跳到向量表

5.2 退出異常

• 退出異常時的動作（硬件部分實現）
  • 1.PC = 異常模式下的LR - Offest（offest根據下表來確定）\
  • 2.CPSR = 異常模式下的SPSR（恢復CPSR）
  • 3.清除中斷標誌位

6.程序以thumb指令集運行

6.1 gcc以thumb編譯

• thumb指令集編譯、使得代碼以thunb狀態運行,在makefile中的gcc編譯加上-mthunb

• arm-linux-gcc -mthumb -c -o $@ $<

6.2 如何從arm切換至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指令系統中的帶狀態切換跳轉指令），BX命令後面的那個值如果最低位爲1的話，則切換到thumb指令

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

	/* 從ARM State 切換到Thumb State*/
	adr r0,thumb_func
	add r0,r0,#1 /*bit0 = 1時,bx就會切換CPU狀態至thumb state*/
	bx r0

.code 16
thumb_func:

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

6.3 注意

• 對於thumb指令，不能向PC直接賦值
  • eg:ldr pc, =main（這樣不行），需要先把值賦值寄存器，再把寄存器賦值給PC

gcc disable built-in memcpy

• 當使用thumb編譯時，gcc會調用memcy，我們可以把變量改成static（存放在data段），這樣就不會讓gcc去調用了