【嵌入式开发】ARM 处理器工作模式 及 修改方法 ( 处理器模式 | 设置处理器模式 | 程序状态字寄存器 CPSR SPSR | 模式设置代码编写 | 设置 svc 模式 )
- 一. 处理器工作模式相关介绍
- 1. 处理器模式简介
- (1) 处理器工作模式分类
- (2) 处理器不同工作模式区别
- (3) Linux 系统运行的模式
- (4) 特权模式 说明
- (5) 异常模式
- (6) 系统模式
- 2. 处理器模式 改变
- (1) 处理器工作模式 改变 的前提条件
- (2) 处理器工作模式 修改方式 ( 程序状态字寄存器 工作模式修改 )
- (3) 程序状态字寄存器 位 类型
- (4) 程序状态字寄存器修改流程
- 1. 处理器模式简介
- 二. 处理器工作模式修改 代码示例
- 1. 汇编代码编写
- (1) 代码 逻辑 分析
- (2) 汇编代码示例
- 2. 链接器脚本
- 3. Makefile 编译脚本
- 4. 编译输出可执行文件
- 1. 汇编代码编写
本博客的参考文章及相关资料下载 :
- 1.ARM 架构参考手册 ( ARM Architecture Reference Manual ) : https://download.csdn.net/download/han1202012/8324641
- 2.汇编参考手册 : https://download.csdn.net/download/han1202012/8328375
- 3.本博客代码下载 : https://download.csdn.net/download/han1202012/10400369
一. 处理器工作模式相关介绍
参考手册 : A2.2 Processor modes
- 1.处理器工作模式位置 : ARM Architecture Reference Manual [ A 2.2 ] 章节;
- 2.参考手册下载地址 : https://download.csdn.net/download/han1202012/8324641
1. 处理器模式简介
(1) 处理器工作模式分类
处理器的 七种 工作模式 :
- 1.User ( 用户模式 usr ) : 普通的应用运行的模式 ;
- 2.FIQ ( 快速中断模式 fiq ) : 该模式下支持数据的高速传输 ;
- 3.IRQ ( 普通中断模式 irq ) : 该模式常用于处理普通的中断 ;
- 4.Supervisor ( 管理模式 svc ) : 操作系统使用的一种保护模式 , 本节 BootLoader 就是需要设置这种 svc 模式;
- 5.Abort ( 终止模式 abt ) : 实现虚拟内存 和 存储器保护 ;
- 6.Undefined ( 未定义模式 und ) : 硬件协处理器 的 软件仿真支持, 当执行的指令处理器不支持, 那么会进入该模式;
- 7.System ( 系统模式 ) : 该模式用于运行具有特权的操作系统任务, ARMv4 以上的架构才有;
(2) 处理器不同工作模式区别
处理器 工作模式 区别 :
- 1.可运行的指令不同 : 不同的处理器工作模式下 可 运行的 处理器指令 是不同的;
- 2.可访问的寄存器不同 : 不同处理器模式下 可访问的 寄存器 也是有区别的;
- 3.分级别处理 : 7 种工作模式级别不同, 操作系统 一般在级别较高的模式下运行, 应用程序在级别较低的模式下运行;
- 4.用户模式说明 :
- ( 1 ) 应用运行 : 绝大多数 应用程序都运行在用户模式 ( User ) 下;
- ( 2 ) 资源限制 : 在 ① 用户模式下, 应用无法访问受保护的系统资源 , ② 系统资源的使用 是在操作系统的控制下;
- ( 3 ) 无法修改模式 : 在 用户模式 下, 应用也无法修改 处理器 的工作模式 ;
(3) Linux 系统运行的模式
Linux 操作系统运行模式 :
- 1.应用程序 : Linux 系统的应用程序运行在 User 用户模式下;
- 2.内核 : Linux 系统 内核 运行在 Supervisor 管理模式下 ;
(4) 特权模式 说明
特权模式 :
- 1.特权概念 : 除 用户模式 外, 其它的 6 种模式 都是特权模式 ;
- 2.特权模式 的 功能 : 特权模式 比 用户模式 拥有更大的权限, 可 ① 访问系统资源, ② 修改处理器工作模式 ;
- ( 1 ) 资源访问 : 特权模式 拥有访问系统资源的权限 ;
- ( 2 ) 模式修改 : 特权模式 下 可以 修改 处理器的工作模式 ;
- 3.五种异常模式 : 在 6 种 特权模式中, 有 5 种 是 异常模式 , 当对应的异常发生的时候, 就会进入对应的工作模式 ;
- 4.异常模式寄存器 : 每种异常模式都有一些附加的寄存器, 当异常发生的时候, 避免影响用户模式的状态;
(5) 异常模式
五种 处理器工作模式 ( 异常模式 ) 对应的异常类型 :
- 1.FIQ ( 快速中断模式 fiq ) : 该模式下支持数据的高速传输 , 对应异常类型 为 快速中断 异常;
- 2.IRQ ( 普通中断模式 irq ) : 该模式常用于处理普通的中断 , 对应异常类型 为 普通中断 异常 ;
- 3.Supervisor ( 管理模式 svc ) : 操作系统使用的一种保护模式 , 本节 BootLoader 就是需要设置这种 svc 模式, 对应异常类型 为 Reset 和 软中断 异常 ;
- 4.Abort ( 终止模式 abt ) : 实现虚拟内存 和 存储器保护 , 对应异常类型 为 预取指令失败 和 读取数据失败 异常 ;
- 5.Undefined ( 未定义模式 und ) : 硬件协处理器 的 软件仿真支持, 当执行的指令处理器不支持, 那么会进入该模式, 对应异常类型 为 无法识别指令 异常;
七种 异常类型 对应的 处理器工作模式 : ARM 架构 支持 七种类型的异常,
- 1.Reset : 处理器在工作时, 突然 按下重启键, 就会触发该异常 , 该异常对应的处理器工作模式为 svc 模式;
- 2.Undefined instructions : 处理器无法识别指令的异常, 处理器执行的指令是有规范的, 如果 尝试执行 不符合要求的指令, 就会进入到该异常指令对应的地址中, 该异常对应的处理器工作模式为 und 模式;
- 3.Software interrupt (SWI) : 软中断, 软件中需要去打断处理器工作, 可以使用软中断来执行 , 该异常对应的处理器工作模式为 svc 模式;
- 4.Prefetch Abort (instruction fetch memory abort) : 预取指令失败, ARM 在执行指令的过程中, 要先去预取指令准备执行, 如果预取指令失败, 就会产生该异常, 该异常对应的处理器工作模式为 abt 模式;
- 5.Data Abort (data access memory abort) : 读取数据失败, 该异常对应的处理器工作模式为 abt 模式;
- 6.IRQ (interrupt) : 普通中断 , 该异常对应的处理器工作模式为 irq 模式;
- 7.FIQ (fast interrupt) : 快速中断, 快速中断要比普通中断响应速度要快一些, 该异常对应的处理器工作模式为 fiq 模式;
(6) 系统模式
系统模式 :
- 1.进入方式 : 任何异常都无法进入 系统 模式 ;
- 2.寄存器 : 从下面的寄存器截图可以看出, 系统模式 可 使用的 寄存器, 与 用户模式 可访问的寄存器 是一样的;
- 3.拥有特权 : 系统模式也是一种特权模式, 不受用户模式限制影响,
- 4.模式存在的目的 : 系统模式 主要 服务于 需要访问系统资源的 操作系统任务, 避免使用 与 异常相关的附加寄存器;
- ( 1 ) 避免被异常干扰 : 主要是为了 保证 任务状态, 避免 被 发生的异常 干扰 ;
2. 处理器模式 改变
(1) 处理器工作模式 改变 的前提条件
修改 处理器 工作模式 的 前提条件 :
- 1.软件控制 : 在 软件控制下, 可以修改处理器的工作模式 ;
- 2.外部中断 : 外部中断也会改变处理器的工作模式;
- 3.异常处理 : 当异常发生的时候, 也会修改处理器的工作模式 ;
- 4.BootLoader 工作模式 : BootLoader 工作在 svc 模式 下, 该模式比较高级, 可以 访问较多的寄存器资源 , 执行更多的处理器指令 ;
- 5.如何修改工作模式 : 修改 程序状态 寄存器 ( CPSR ) 中的 0 ~ 4 位 即可改变处理器工作模式;
- 6.修改CPSR值 : 修改的 程序状态寄存器 0 ~ 4 位的值 为, 下面表中的 模式代码. 即 每行 第三列的 二进制码 ;
- 7.处理器工作模式 对应的 M 位 ( CPRS 0 : 4 ) 值 以及其对应的 可使用的寄存器 :
(2) 处理器工作模式 修改方式 ( 程序状态字寄存器 工作模式修改 )
参考手册 : A2.5 Program status registers
- 1.处理器工作模式位置 : ARM Architecture Reference Manual [ A 2.5 ] 章节;
- 2.参考手册下载地址 : https://download.csdn.net/download/han1202012/8324641
程序状态字寄存器 :
- 1.寄存器内容 : 该寄存器 中 包含 ① 状态码标志位, ② 中断标志位, ③ 当前处理器工作模式 和 其它一些 ④ 状态 与 ⑤ 控制信息 ;
- 2.CPSR 寄存器 : 全称 Current Program Status Register ( 当前程序状态字寄存器 ), 保存的是当前的程序状态 ;
- 3.SPSR 寄存器 : 全称 Saved Program Status Register ( 程序状态保存寄存器 ), 每个异常都有对应的独立的 SPSR 寄存器, 当异常发生的时候, 先将 CPSR 寄存器中的值 保存到 SPSR 寄存器中, 以便 异常处理完毕后 再回到原来断点处 继续运行 ;
- 4.SPSR 寄存器分布 : 用户模式 和 系统模式 没有 对应的 SPSR 寄存器, 只有 5 种 异常模式才有对应的 SPSR 寄存器 ;
- ( 1 ) SPSR 寄存器读写 : 在 用户模式 或 系统模式 读写 SPSR 指令 会出现不可预测的错误或行为 ;
(3) 程序状态字寄存器 位 类型
参考手册 : A2.5 Program status registers
- 1.处理器工作模式位置 : ARM Architecture Reference Manual [ A 2.5 ] 章节;
- 2.参考手册下载地址 : https://download.csdn.net/download/han1202012/8324641
程序状态字寄存器 位 类型简介 :
- 1.特权位 : 在 特权模式 下可进行修改 的 位数, 用户模式下不能修改特权位, 如 A, I , F, 和 M ( 0 :4 ) 位;
- 2.用户可写位 : 任何模式都可以修改的 数据位, 如 N, Z, C, V, Q, GE[ 3 : 0 ], E 数据位;
- 3.执行状态位 : 可以从 任何特权模式修改, 用户模式不能修改 ; J 和 T 两位 是运行状态位, 在 ARM 状态下总是 0 ;
- ( 1 ) CPSR 运行状态位 : 使用 MSR 特权指令 将通用寄存器的值 保存到 CPSR 中, J 和 T 两位必须设置为 0 , 否则会出现不可预知错误;
- ( 2 ) SPSR 运行状态位 : 在 上面 的 限制中, 只针对 CPSR 寄存器, SPSR 没有这个限制,
- 4.保留位 : 为之后的功能扩展保留的位数 ;
- ( 1 ) 读取 : 保留位 读取时 都当做 0 值;
- ( 2 ) 写入 : 不能向 保留位 写出实际数据 ;
(4) 程序状态字寄存器修改流程
参考手册 : arm汇编手册（中文版）.chm
- 1.本节使用的汇编指令 : BIC, ORR, MSR, MRS;
- 2.arm汇编手册下载地址 : https://download.csdn.net/download/han1202012/8328375
修改程序状态字寄存器 使用到的汇编指令 :
- 1.将处理器工作模式位 设置 0 : 将 CPRS 程序状态字 寄存器 中的 0 ~ 4 位 设置为 0 , 注意 CPRS 不能直接操作 ; 使用 BIC 指令进行设置;
- ( 1 ) BIC 汇编指令 语法 : bic 语法格式
bic, dest 存放位清除结果, op1 是被清除的对象, op2 是掩码;, , - ( 2 ) BIC 指令 示例 :
bic r0, r0, #0b1011, 清除 r0 中的 第0, 1, 3 位, 其余位保持不变, 结果放入 r0 中; - ( 3 ) 使用注意点 : dest op1 都不能使用立即数, 必须使用寄存器, op2 可以使用立即数;
- ( 4 ) 立即数进制 : 此处的的立即数必须使用二进制形式 ;
- ( 1 ) BIC 汇编指令 语法 : bic 语法格式
- 2.为 处理器工作模式位 设置 1 : 将 CPRS 程序状态字 寄存器 中的 0 ~ 4 位 设置为 指定的二进制数字 , 注意 CPRS 不能直接操作 ; 使用 orr 指令 进行设置 ;
- ( 1 ) ORR 汇编指令 语法 :
ORR{条件}{S}, dest 结果是 op 1 与 op 2 进行或运算的结果;, , - ( 2 ) ORR 指令 说明 : dest 必须是寄存器, 操作数 1 ( op 1 ) 必须是寄存器, 操作数 2 ( op 2 ) 可以是 ① 寄存器 ② 被移位寄存器 ③ 立即数;
- ( 3 ) ORR 示例 :
ORR R0, R0, #3, 将 立即数 3 与 R0 寄存器中的值 进行 或 运算, 然后将运算结果存放到 R0 中;
- ( 1 ) ORR 汇编指令 语法 :
- 3.程序状态字寄存器 ( CPSR 和 SPSR ) 访问指令 : 使用 MRS MSR 指令, 程序状态字 不能使用 通用寄存器的语句 如 MOV 等访问, 必须使用 程序状态寄存器的 专用指令 读写;
- ( 1 ) 程序状态字寄存器 访问 流程 : 程序状态字寄存器不能直接访问, 需要先将程序状态字寄存器内容导出到通用寄存器中, 才能进行操作 , 不能直接修改 CPSR 和 SPSR 中的值 ;
- ( 2 ) MRS 指令 :
MRS R0, CPSR, 将 CPRS 寄存器的值 复制 到 R0 寄存器中; - ( 3 ) MSR 指令 :
MSR CPSR, R0, 将 R0 寄存器中的值 设置 到 CPSR 寄存器中 ;
- 4.流程总结 :
- ( 1 ) 导出 CPSR 寄存器值 : 使用 MRS 将 CPSR 寄存器的值导出到通用寄存器中 ;
- ( 2 ) 将工作模式位置 0 : 将导出的 CPSR 寄存器的值的 0 ~ 4 位 设置为 0 ;
- ( 3 ) 将工作模式位置 1 : 将导出的 CPSR 寄存器的值的 0 ~ 4 位 设置 对应 的 模式代码 ;
- ( 4 ) 将设置好的 CPSR 寄存器值设置到 寄存器中 : 使用 MSR 指令, 将 在通用寄存器中 设置好的 CPSR 寄存器值 设置回 CPSR 寄存器中 ;
二. 处理器工作模式修改 代码示例
1. 汇编代码编写
(1) 代码 逻辑 分析
代码 逻辑 分析 :
- 1.设置 处理器工作模式 时机 : 进行 处理器工作模式 设置 是在 开发板上电后, 对应的 reset 异常向量处;
- 2.设置 指令标号 : 设置一个指令标号, 在标号下定义一组汇编指令, 当需要执行这一组指令的时候, 在跳转到该标号即可;
- ( 1 ) 定义标号 :
set_svc :, 在标号下定义一组汇编指令;
- ( 1 ) 定义标号 :
- 3.导出 CPSR 寄存器值 : 使用 MRS 指令, 即
mrs r0 cpsr将 CPSR 寄存器中的值导出到 R0 寄存器中; - 4.将 R0 中的 M 位 清 0 : 在 R0 中将从 CPSR 中导出的寄存器值 对应的 0 ~ 4 位 清0, 使用
bic r0, r0, #0x1f, 将 R0 寄存器的值 与 #0x1f 进行 与操作, 即 后5 位都设置成0, 然后将 与 操作的结果保存到 R0 寄存器中 ; - 5.将 R0 中的 M 位 设置 模式代码 : 在下图中, svc 的模式代码时 0b10011 ( 二进制 ), 即 0x13 ( 十六进制 ), 使用
orr r0, r0, #0xd3语句设置, 将 R0 寄存器中的值 与 0x13 进行 或操作, 将 或操作的结果 存放到 R0 寄存器中;
- 6.将值写回 CPSR 寄存器 : 使用 MSR 指令
msr cpsr, r0, 将处理完的 CPSR 寄存器值 设置给 CPSR 寄存器;
(2) 汇编代码示例
汇编代码示例 :
@****************************
@File:start.S
@
@BootLoader 初始化代码
@****************************
.text @ 宏 指明代码段
.global _start @ 伪指令声明全局开始符号
_start: @ 程序入口标志
b reset @ reset 复位异常
ldr pc, _undefined_instruction @ 未定义异常, 将 _undefined_instruction 值装载到 pc 指针中
ldr pc, _software_interrupt @ 软中断异常
ldr pc, _prefetch_abort @ 预取指令异常
ldr pc, _data_abort @ 数据读取异常
ldr pc, _not_used @ 占用 0x00000014 地址
ldr pc, _irq @ 普通中断异常
ldr pc, _fiq @ 软中断异常
_undefined_instruction: .word undefined_instruction @ _undefined_instruction 标号存放了一个值, 该值是 32 位地址 undefined_instruction, undefined_instruction 是一个地址
_software_interrupt: .word software_interrupt @ 软中断异常
_prefetch_abort: .word prefetch_abort @ 预取指令异常 处理
_data_abort: .word data_abort @ 数据读取异常
_not_used: .word not_used @ 空位处理
_irq: .word irq @ 普通中断处理
_fiq: .word fiq @ 快速中断处理
undefined_instruction: @ undefined_instruction 地址存放要执行的内容
nop
software_interrupt: @ software_interrupt 地址存放要执行的内容
nop
prefetch_abort: @ prefetch_abort 地址存放要执行的内容
nop
data_abort: @ data_abort 地址存放要执行的内容
nop
not_used: @ not_used 地址存放要执行的内容
nop
irq: @ irq 地址存放要执行的内容
nop
fiq: @ fiq 地址存放要执行的内容
nop
reset: @ reset 地址存放要执行的内容
bl set_svc @ 跳转到 set_svc 标号处执行
set_svc:
mrs r0, cpsr @ 将 CPSR 寄存器中的值 导出到 R0 寄存器中
bic r0, r0, #0x1f @ 将 R0 寄存器中的值 与 #0x1f 立即数 进行与操作, 并将结果保存到 R0 寄存器中, 实际是将寄存器的 0 ~ 4 位 置 0
orr r0, r0, #0xd3 @ 将 R0 寄存器中的值 与 #0xd3 立即数 进行或操作, 并将结果保存到 R0 寄存器中, 实际是设置 0 ~ 4 位 寄存器值 的处理器工作模式代码
msr cpsr, r0 @ 将 R0 寄存器中的值 保存到 CPSR 寄存器中
2. 链接器脚本
gboot.lds 链接器脚本 代码解析 :
- 1.指明输出格式 ( 处理器架构 ) : 使用
OUTPUT_ARCH(架构名称)指明输出格式, 即处理器的架构, 这里是 arm 架构的,OUTPUT_ARCH(arm); - 2.指明输出程序的入口 : 设置编译输出的程序入口位置, 语法为
ENTRY(入口位置), 在上面的 Start.S 中设置的程序入口是_start, 代码为ENTRY(_start); - 3.设置代码段 : 使用
.text :设置代码段; - 4.设置数据段 : 使用
.data :设置数据段; - 5.设置 BSS 段 : 使用
.bss :设置 BSS 段;
- ( 1 ) 记录 BSS 段的起始地址 :
bss_start = .;; - ( 2 ) 记录 BSS 段的结束地址 :
bss_end = .;;
- ( 1 ) 记录 BSS 段的起始地址 :
- 6.对齐 : 每个段都需要设置内存的对齐格式, 使用
. = ALIGN(4);设置四字节对齐即可; - 7.代码示例 :
OUTPUT_ARCH(arm) /*指明处理器结构*/
ENTRY(_start) /*指明程序入口 在 _start 标号处*/
SECTIONS {
. = 0x50008000; /*整个程序链接的起始位置, 根据开发板确定, 不同开发板地址不一致*/
. = ALIGN(4); /*对齐处理, 每段开始之前进行 4 字节对齐*/
.text : /*代码段*/
{
start.o (.text) /*start.S 转化来的代码段*/
*(.text) /*其它代码段*/
}
. = ALIGN(4); /*对齐处理, 每段开始之前进行 4 字节对齐*/
.data : /*数据段*/
{
*(.data)
}
. = ALIGN(4); /*对齐处理, 每段开始之前进行 4 字节对齐*/
bss_start = .; /*记录 bss 段起始位置*/
.bss : /*bss 段*/
{
*(.bss)
}
bss_end = .; /*记录 bss 段结束位置*/
}
3. Makefile 编译脚本
makefile 文件编写 :
- 1.通用规则 ( 汇编文件编译规则 ) : 汇编文件 编译 成同名的 .o 文件, 文件名称相同, 后缀不同,
%.o : %.S, 产生过程是arm-linux-gcc -g -c $^, 其中^标识是所有的依赖文件, 在该规则下 start.S 会被变异成 start.o ; - 2.通用规则 ( C 文件编译规则 ) : C 代码编译成同名的 .o 文件,
%.o : %.c, 产生过程是arm-linux-gcc -g -c $^; - 3.设置最终目标 : 使用
all:设置最终编译目标;
- ( 1 ) 依赖文件 : 产生最终目标需要依赖 start.o 文件, 使用
all: start.o表示最终目标需要依赖该文件; - ( 2 ) 链接过程 :
arm-linux-ld -Tgboot.lds -o gboot.elf $^, 需要使用链接器脚本进行连接, ①链接工具是 arm-linux-ld 工具, ②使用-Tgboot.lds设置链接器脚本 是刚写的 gboot.lds 链接器脚本, ③输出文件是 gboot.elf 这是个中间文件, ④ 依赖文件是$^代表所有的依赖; - ( 3 ) 转换成可执行二进制文件 :
arm-linux-objcopy -O binary gboot.elf gboot.bin, 使用-O binary设置输出二进制文件, 依赖文件是gboot.elf, 输出的可执行二进制文件 即 结果是gboot.bin;
- ( 1 ) 依赖文件 : 产生最终目标需要依赖 start.o 文件, 使用
- 4.makefile 文件内容 :
all: start.o #依赖于 start.o
arm-linux-ld -Tgboot.lds -o gboot.elf $^ #使用链接器脚本, 将 start.o 转为 gboot.elf
arm-linux-objcopy -O binary gboot.elf gboot.bin #将 gboot.elf 转化为可以直接在板子上执行的 gboot.bin 文件
%.o : %.S #通用规则, 如 start.o 是由 start.S 编译来的, -c 是只编译不链接
arm-linux-gcc -g -c $^
%.o : %.c #通用规则, 如 start.o 是由 start.c 编译来的, -c 是只编译不链接
arm-linux-gcc -g -c $^
.PHONY: clean
clean: #清除编译信息
rm *.o *.elf *.bin
4. 编译输出可执行文件
编译过程 :
- 1.文件准备 : 将 汇编代码 ( start.S ) 链接器脚本 ( gboot.lds ) makefile 文件 拷贝到编译目录 ;
- 2.执行编译命令 :
make; - 3.编译结果 : 可以看到 生成了 编译目标文件 start.o, 链接文件 gboot.elf, 可执行的二进制文件 gboot.bin ;
本博客的参考文章及相关资料下载 :
- 1.ARM 架构参考手册 ( ARM Architecture Reference Manual ) : https://download.csdn.net/download/han1202012/8324641
- 2.汇编参考手册 : https://download.csdn.net/download/han1202012/8328375
- 3.本博客代码下载 : https://download.csdn.net/download/han1202012/10400369