嵌入式 ARM 设计编程 (三) 处理器工作模式

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一、实验目的

（1） 通过实验掌握学会使用 msr/mrs 指令实现 ARM 处理器工作模式的切换，观察不同模式下的寄存器，加深对 CPU 结构的理解；

（2） 通过实验掌握 ld 中如何使用命令行指定代码段起始地址。

二、实验环境

硬件：PC 机。

软件：ADS1.2 集成开发环境

三、实验内容

通过 ARM 汇编指令，在各种处理器模式下切换并观察各种模式下寄存器的区别；掌握 ARM 不同模式的进入与退出。

四、实验要求

(1)按照 2.3 节介绍的方法, 在 ADS 下创建一个工程 asmmodelab，完成各个模式下的堆栈初始化工作,并将 R1-R12 的内容存入当前模式下堆栈。通过 AXD 运用单步执行方式调试程序，验证工作模式的切换，注意观察 CPSR 寄存器中的变化。随着程序调试过程中在模式间的切换，使用寄存器观察器切换到不同的工作模式下观察 SP（R13）的变化情况。

(2)实验过程中请记录并思考以下内容：

1）程序复位之后系统处于什么模式？

2）记录每种模式下的初始堆栈指针，以及执行 R1-R12 内容压栈后本模式堆栈相关内存单元的数值。并分析快速中断 FIQ 模式与其他模式存入的 R1-R12 有什么不同。

3）切换成用户模式之后还能否从用户模式切换到其他模式（如系统模式）？

4）用户模式下能否执行堆栈压栈操作？如果能得话，观察用户模式下压栈之前和压栈之后其堆栈区域的变化情况。

5）观察本程序模式切换过程中 SPSR 有无变化，并解释其原因。

五、实验情况

1、实验源代码（含注释）：

usr_stack_legth equ 64 ;定义各个模式的栈空间长度svc_stack_legth equ 32fiq_stack_legth equ 16irq_stack_legth equ 64abt_stack_legth equ 16und_stack_legth equ 16               
  area reset,code,readonly ;定义code片段reset只读  entry ;设置程序入口伪指令  code32 ;定义后面的指令为32位的ARM指令
;设置各个寄存器中的内容start    mov r0,#0    mov r1,#1    mov r2,#2    mov r3,#3    mov r4,#4    mov r5,#5    mov r6,#6    mov r7,#7    mov r8,#8    mov r9,#9    mov r10,#10    mov r11,#11    mov r12,#12                 bl initstack  ;跳转至initstack，并且初始化各模式下的堆栈指针，打开IRQ中断(将cpsr寄存器的i位清0)                                  mrs r0,cpsr        ;r0<--cpsr    bic r0,r0,#0x80    ;cpsr的I位置0，开IRQ中断    msr cpsr_cxsf,r0   ;cpsr<--r0                                        ;切换到用户模式    msr cpsr_c,#0xd0  ;设置11010000，其中I，F位置1，禁止IRQ和FIQ中断，T=0，ARM执行，M[4：0]为10000，切换到用户模式    mrs r0,cpsr          ;r0<--cpsr    stmfd sp!,{r1-r12}   ;将R1-R12入栈     ;观察用户模式能否切换到其他模式    ;切换到管理模式    msr cpsr_c,#0xdf    ;设置11011111，其中I，F位置1，禁止IRQ和FIQ中断，T=0，ARM执行，M[4：0]为11111，切换到系统模式    mrs r0,cpsr      ;r0<--cpsr    stmfd sp!,{r1-r12}  ;将寄存器列表中的r1-r12寄存器存入堆栈
halt  b halt ;从halt跳转到halt循环
initstack  mov r0,lr   ; r0<--lr,因为各种模式下r0是相同的而各个模式不同                                              ;设置管理模式堆栈    msr cpsr_c,#0xd3   ; 设置11010011 切换到管理模式    ldr sp,stacksvc    ;设置管理模式堆栈地址    stmfd sp!,{r1-r12} ;R1-R12入栈，满递减模式
    ;设置中断模式堆栈    msr cpsr_c,#0xd2   ;设置11010010  切换到中断模式    ldr sp,stackirq    ;设置中断模式堆栈地址    stmfd sp!,{r1-r12} ;R1-R12入栈，满递减模式
    ;设置快速中断模式堆栈    msr cpsr_c,#0xd1   ; 设置11010001  切换到快速中断模式    ldr sp,stackfiq    ;设置快速中断模式堆栈地址    stmfd sp!,{r1-r12} ;R1-R12入栈，满递减模式
    ;设置中止模式堆栈       msr cpsr_c,#0xd7   ; 设置11010111  切换到中止模式    ldr sp,stackabt    ;设置中止模式堆栈地址    stmfd sp!,{r1-r12} ;R1-R12入栈，满递减模式
    ;设置未定义模式堆栈       msr cpsr_c,#0xdb   ; 设置11011011  切换到未定义模式    ldr sp,stackund    ;设置未定义模式堆栈地址    stmfd sp!,{r1-r12} ;R1-R12入栈，满递减模式
    ;设置系统模式堆栈        msr cpsr_c,#0xdf   ; 设置11011111  切换到系统模式    ldr sp,stackusr    ;设置系统模式堆栈地址    stmfd sp!,{r1-r12} ;R1-R12入栈，满递减模式
    mov pc,r0 ;返回        ;为各模式堆栈开辟一段连续的字存储空间stackusr    dcd  usrstackspace+(usr_stack_legth-1)*4stacksvc    dcd  svcstackspace+(svc_stack_legth-1)*4stackirq    dcd  irqstackspace+(irq_stack_legth-1)*4stackfiq    dcd  fiqstackspace+(fiq_stack_legth-1)*4stackabt    dcd  abtstackspace+(abt_stack_legth-1)*4stackund    dcd  undstackspace+(und_stack_legth-1)*4    ;定义data段并命名      area reset,data,noinit,align=2;为各模式堆栈分配存储区域usrstackspace space usr_stack_legth*4svcstackspace space svc_stack_legth*4irqstackspace space irq_stack_legth*4fiqstackspace space fiq_stack_legth*4abtstackspace space abt_stack_legth*4undstackspace space und_stack_legth*4    end

2、实验过程（含结果截图及相应文字解释）：

实验过程中请记录并思考以下内容：

1）程序复位之后系统处于什么模式？

由上可知，系统复位后处于管理模式。

2）记录每种模式下的初始堆栈指针，以及执行 R1-R12 内容压栈后本模式堆栈相关内存单元的数值。并分析快速中断 FIQ 模式与其他模式存入的 R1-R12 有什么不同。

①管理模式

由上图可知，管理模式初始指针为 0x8244。

执行 R1-R12 内容压栈后本模式堆栈相关内存单元的数值如上图所示，可知压栈后，堆栈指针变为 0x8214，离初始的堆栈指针 0x30 字节，即 12 个字(32 位系统)，从内存单元的数值可以看到分别与 R1-R12 存储的数值对应。

②中断模式

由上图可知，中断模式初始指针为 0x8344。

执行 R1-R12 内容压栈后本模式堆栈相关内存单元的数值如上图所示，可知压栈后，堆栈指针变为 0x8314，离初始的堆栈指针 0x30 字节，即 12 个字(32 位系统)，从内存单元的数值可以看到分别与 R1-R12 存储的数值对应。

③快速中断模式

由上图可知，快速中断模式初始指针为 0x8384。

执行 R1-R12 内容压栈后本模式堆栈相关内存单元的数值如上图所示，可知压栈后，堆栈指针变为 0x8354，离初始的堆栈指针 0x30 字节，即 12 个字(32 位系统)，从内存单元的数值可以看到分别与 R1-R7 存储的数值对应，说明该模式下仅能压入 R1-R7，因为快速中断模式有自己的 R8-R12。

④中止模式

由上图可知，中止模式初始指针为 0x83C4。

执行 R1-R12 内容压栈后本模式堆栈相关内存单元的数值如上图所示，可知压栈后，堆栈指针变为 0x8394，离初始的堆栈指针 0x30 字节，即 12 个字(32 位系统)，从内存单元的数值可以看到分别与 R1-R12 存储的数值对应。

⑤未定义模式

由上图可知，未定义模式初始指针为 0x8404。

执行 R1-R12 内容压栈后本模式堆栈相关内存单元的数值如上图所示，可知压栈后，堆栈指针变为 0x83D4，离初始的堆栈指针 0x30 字节，即 12 个字(32 位系统)，从内存单元的数值可以看到分别与 R1-R12 存储的数值对应。

⑥系统模式

由上图可知，系统模式初始指针为 0x81C4。

执行 R1-R12 内容压栈后本模式堆栈相关内存单元的数值如上图所示，可知压栈后，堆栈指针变为 0x8194，离初始的堆栈指针 0x30 字节，即 12 个字(32 位系统)，从内存单元的数值可以看到分别与 R1-R12 存储的数值对应。

⑦用户模式：

由上图可知，用户模式初始指针为 0x8194。

执行 R1-R12 内容压栈后本模式堆栈相关内存单元的数值如上图所示，可知压栈后，堆栈指针变为 0x8164，离初始的堆栈指针 0x30 字节，即 12 个字(32 位系统)，从内存单元的数值可以看到分别与 R1-R12 存储的数值对应。

3）切换成用户模式之后还能否从用户模式切换到其他模式（如系统模式）？

由上图可知，当进行切换管理模式时，模式仍是用户模式，因此可知切换成用户模式之后，不能操作 CPSR 返回到其他模式。

4）用户模式下能否执行堆栈压栈操作？如果能得话，观察用户模式下压栈之前和压栈之后其堆栈区域的变化情况。

压栈前：

压栈后：

压栈后存储单元情况：

答：用户模式下可以执行堆栈压栈操作，且以 4 个字节（1 个字）为单位进行压栈操作，压栈前堆栈区域情况如左图，压栈后如右图所示，对应的存储单元情况如上图。

5）观察本程序模式切换过程中 SPSR 有无变化，并解释其原因。

答：除了用户模式和系统模式，其余模式下都有一个私有 SPSR 保存状态寄存器. 用来保存切换到该模式之前的执行状态，SPSR 是异常模式的程序状态保存寄存器, 当特定的异常中断发生时，这个寄存器存放 CPSR 的内容，在异常中断退出时，可以用 SPSR 来恢复 CPSR，但是通过观察可知，整个切换过程中没有异常的发生，因此 SPSR 没有变化。

六、总结

ARM 处理器模式分别是 usr（用户模式），fiq（快速中断模式），irq（通用中断模式），svc（管理模式），abt（终止模式），sys（系统模式）以及 und（未定义模式）。也通过 ARM 指令，实现了 ARM 不同模式的进入与退出，切换各种处理器模式，并观察各种模式下寄存器的区别。当特定的异常出现时，进入相应的模式。每种模式都有某些附加的寄存器，以避免异常出现时用户模式的状态不可靠。此外也使用状态寄存器到通用寄存器的传送指令（MRS）以及通用寄存器到状态寄存器的传送指令（MSR），修改状态寄存器通过“读取－修改－写回”三个步骤操作来实现。

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