子谓颜渊，曰：“惜乎！吾见其进也，未见其止也。” 《论语》：子罕篇
百篇博客系列篇.本篇为:
v36.xx 鸿蒙内核源码分析(工作模式篇) | CPU是韦小宝，七个老婆
硬件架构相关篇为:
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系列篇硬件部分说明基于ARM720T.pdf文档.
本篇说清楚CPU的工作模式
工作模式(Working mode) 也叫操作模式（Operating mode）又叫处理器模式（Processor mode），是 CPU 运行的重要参数，决定着处理器的工作方式，比如如何裁决特权级别和报告异常等。 系列篇为方便理解，统一叫工作模式，CPU的工作模式.
读本篇之前建议先读鸿蒙内核源码分析(总目录)其他篇.
正如一个互联网项目的后台管理系统有权限管理一样，CPU工作是否也有权限(模式)? 一个成熟的软硬件架构，肯定会有这些设计，只是大部分人不知道，也不需要知道，老百姓就干好老百姓的活就行了，有工作能吃饱饭就知足了，宫的事你管那么多干嘛，你也管不了.
应用程序就只关注应用功能，业务逻辑相关的部分就行了，底层实现对应用层屏蔽的越干净系统设计的就越优良.
但鸿蒙内核源码分析系列篇的定位就是要把整个底层解剖，全部掰开，看看宫里究竟发生了么事.从本篇开始要接触大量的汇编的代码，将鸿蒙内核的每段汇编代码一一说明白.如此才能知道最开始的开始发生了什么，最后的最后又发生了什么.
七种模式
先看一张图，图来源于 ARM720T.pdf第43页，在ARM体系中，CPU很像有七个老婆的韦小宝，工作在以下七种模式中: 
用户模式（usr）：该模式是用户程序的工作模式，它运行在操作系统的用户态，它没有权限去操作其它硬件资源，只能执行处理自己的数据，也不能切换到其它模式下，要想访问硬件资源或切换到其它模式只能通过软中断或产生异常。
快速中断模式（fiq）：快速中断模式是相对一般中断模式而言的，用来处理高优先级中断的模式，处理对时间要求比较紧急的中断请求，主要用于高速数据传输及通道处理中。
普通中断模式（irq）：一般中断模式也叫普通中断模式，用于处理一般的中断请求，通常在硬件产生中断信号之后自动进入该模式，该模式可以自由访问系统硬件资源。
管理模式（svc）：操作系统保护模式，CPU上电复位和当应用程序执行 SVC 指令调用系统服务时也会进入此模式，操作系统内核的普通代码通常工作在这个模式下。
终止模式（abt）：当数据或指令预取终止时进入该模式，中止模式用于支持虚拟内存或存储器保护，当用户程序访问非法地址，没有权限读取的内存地址时，会进入该模式，
系统模式（sys）：供操作系统使用的高特权用户模式，与用户模式类似，但具有可以直接切换到其他模式等特权，用户模式与系统模式两者使用相同的寄存器，都没有SPSR（Saved Program Statement Register，已保存程序状态寄存器），但系统模式比用户模式有更高的权限，可以访问所有系统资源。
未定义模式（und）：未定义模式用于支持硬件协处理器的软件仿真，CPU在指令的译码阶段不能识别该指令操作时，会进入未定义模式。
除用户模式外，其余6种工作模式都属于特权模式
- 特权模式中除了系统模式以外的其余5种模式称为异常模式
- 大多数程序运行于用户模式
- 进入特权模式是为了处理中断、异常、或者访问被保护的系统资源
- 硬件权限级别：系统模式 > 异常模式 > 用户模式
- 快中断(fiq)与慢中断(irq)区别：快中断处理时禁止中断
每种模式都有自己独立的入口和独立的运行栈空间. 系列篇之CPU篇 已介绍过只要提供了入口函数和运行空间，CPU就可以干活了.入口函数解决了指令来源问题，运行空间解决了指令的运行场地问题. 而且在多核情况下，每个CPU核的每种特权模式都有自己独立的栈空间.注意是特权模式下的栈空间，用户模式的栈空间是由用户(应用)程序提供的.
如何让这七种模式能流畅的跑起来呢? 至少需要以下解决三个基本问题.
- 栈空间是怎么申请的?申请了多大?
- 被切换中的模式代码放在哪里?谁来安排它们放在哪里?
- 模式之间是怎么切换的?状态怎么保存?
本篇代码来源于鸿蒙内核源码之reset_vector_mp.S，点击查看 这个汇编文件大概 500多行，非常重要，本篇受限于篇幅只列出一小部分，说清楚以上三个问题.系列其余篇中将详细说明每段汇编代码的作用和实现，可前往查阅.
1.异常模式栈空间怎么申请?
鸿蒙是如何给异常模式申请栈空间的
#define CORE_NUM LOSCFG_KERNEL_SMP_CORE_NUM //CPU 核数
#ifdef LOSCFG_GDB
#define OS_EXC_UNDEF_STACK_SIZE 512
#define OS_EXC_ABT_STACK_SIZE 512
#else
#define OS_EXC_UNDEF_STACK_SIZE 40
#define OS_EXC_ABT_STACK_SIZE 40
#endif
#define OS_EXC_FIQ_STACK_SIZE 64
#define OS_EXC_IRQ_STACK_SIZE 64
#define OS_EXC_SVC_STACK_SIZE 0x2000 //8K
#define OS_EXC_STACK_SIZE 0x1000 //4K
@六种特权模式申请对应的栈运行空间
__undef_stack:
.space OS_EXC_UNDEF_STACK_SIZE * CORE_NUM
__undef_stack_top:
__abt_stack:
.space OS_EXC_ABT_STACK_SIZE * CORE_NUM
__abt_stack_top:
__irq_stack:
.space OS_EXC_IRQ_STACK_SIZE * CORE_NUM
__irq_stack_top:
__fiq_stack:
.space OS_EXC_FIQ_STACK_SIZE * CORE_NUM
__fiq_stack_top:
__svc_stack:
.space OS_EXC_SVC_STACK_SIZE * CORE_NUM
__svc_stack_top:
__exc_stack:
.space OS_EXC_STACK_SIZE * CORE_NUM
__exc_stack_top:
代码解读
- 六种异常模式都有自己独立的栈空间
- 每种模式的
OS_EXC_***_STACK_SIZE栈大小都不一样，最大是管理模式（svc）8K，最小的只有40个字节. svc模式为什么要这么大呢? 因为开机代码和系统调用代码的运行都在管理模式，系统调用的函数实现往往较复杂，最大不能超过8K. 例如:某个系统调用中定义一个8K的局部变量，内核肯定立马闪蹦.因为栈将溢出，处理异常的程序出现了异常，后面就再也没人兜底了，只能是死局. - 鸿蒙是支持多核处理的，
CORE_NUM表明，每个CPU核的每种异常模式都有自己的独立栈空间.注意理解这个是理解内核代码的基础.否则会一头雾水.
2.异常模式入口地址在哪?
再看一张图，图来源于 ARM720T.pdf 第56页
这就是一切一切的开始，指定所有异常模式的入口地址表，这就是规定，没得商量的.在低地址情况下.开机代码就是放在 0x00000000的位置， 触发开机键后，硬件将PC寄存器置为0x00000000，开始了万里长征的第一步.在系统运行过程中就这么来回跳.
b reset_vector @开机代码
b _osExceptUndefInstrHdl @异常处理之CPU碰到不认识的指令
b _osExceptSwiHdl @异常处理之:软中断
b _osExceptPrefetchAbortHdl @异常处理之:取指异常
b _osExceptDataAbortHdl @异常处理之:数据异常
b _osExceptAddrAbortHdl @异常处理之:地址异常
b OsIrqHandler @异常处理之:硬中断
b _osExceptFiqHdl @异常处理之:快中断
以上是各个异常情况下的入口地址，在reset_vector_mp.S中都能找到，经过编译链接后就会变成
b 0x00000000 @开机代码
b 0x00000004 @异常处理之CPU碰到不认识的指令
b 0x00000008 @异常处理之:软中断
b 0x0000000C @异常处理之:取指异常
b 0x00000010 @异常处理之:数据异常
b 0x00000014 @异常处理之:地址异常
b 0x00000018 @异常处理之:硬中断
b 0x0000001C @异常处理之:快中断
不管是主动切换的异常，还是被动切换的异常，都会先跳到对应的入口去处理.每个异常的代码都起始于汇编，处理完了再切回去.举个例子: 某个应用程序调用了系统调用(比如创建定时器)，会经过以下大致过程:
- swi指令将用户模式切换到管理模式（svc）
- 在管理模式中先保存用户模式的现场信息(R0-R15寄存器值入栈)
- 获取系统调用号，知道是调用了哪个系统调用
- 查询系统调用对应的注册函数
- 执行真正的创建定时器函数
- 执行完成后，恢复用户模式的现场信息(R0-R15寄存器值出栈)
- 跳回用户模式继续执行
各异常处理代码很多，不一一列出，本篇只列出开机代码，请尝试读懂鸿蒙内核开机代码，后续讲详细说明每行代码的用处.
开机代码
reset_vector: //开机代码
/* clear register TPIDRPRW */
mov r0， #0 @r0 = 0
mcr p15， 0， r0， c13， c0， 4 @c0，c13 = 0， C13为进程标识符 含义见 ARM720T.PDF 第64页
/* do some early cpu setup: i/d cache disable， mmu disabled */ @禁用MMU， i/d缓存
mrc p15， 0， r0， c1， c0， 0 @r0 = c1 ，c1寄存器详细解释见第64页
bic r0， #(1<<12) @位清除指令，清除r0的第11位
bic r0， #(1<<2 | 1<<0) @清除第0和2位 ，禁止 MMU和缓存 0位:MMU enable/disable 2位:Cache enable/disable
mcr p15， 0， r0， c1， c0， 0 @c1=r0
/* r11: delta of physical address and virtual address */@物理地址和虚拟地址的增量
adr r11， pa_va_offset @将基于PC相对偏移的地址pa_va_offset值读取到寄存器R11中
ldr r0， [r11] @将R11的值给r0
sub r11， r11， r0 @r11 = r11 - r0
mrc p15， 0， r12， c0， c0， 5 /* r12: get cpuid */ @获取CPUID
and r12， r12， #MPIDR_CPUID_MASK @r12经过掩码过滤
cmp r12， #0 @当前是否为0号CPU
bne secondary_cpu_init @不是0号主CPU则调用secondary_cpu_init
/* if we need to relocate to proper location or not */
adr r4， __exception_handlers /* r4: base of load address */ @r4获得加载基地址
ldr r5， =SYS_MEM_BASE /* r5: base of physical address */@r5获得物理基地址
subs r12， r4， r5 /* r12: delta of load address and physical address */ @r12=r4-r5 加载地址和物理地址的增量
beq reloc_img_to_bottom_done /* if we load image at the bottom of physical address */
/* we need to relocate image at the bottom of physical address */
ldr r7， =__exception_handlers /* r7: base of linked address (or vm address) */
ldr r6， =__bss_start /* r6: end of linked address (or vm address) */
sub r6， r7 /* r6: delta of linked address (or vm address) */
add r6， r4 /* r6: end of load address */
异常的优先级
当同时出现多个异常时，该响应哪一个呢?这涉及到了异常的优先级，顺序如下
- 1.Reset (highest priority).
- 2.Data Abort.
- 3.FIQ.
- 4.IRQ.
- 5.Prefetch Abort.
- 6.Undefined Instruction， SWI (lowest priority).
可以看出swi的优先级最低，swi就是软中断，系统调用就是通过它来实现的.
3.异常模式怎么切换?
写应用程序经常会用到状态，来记录各种分支逻辑，传递参数.这么多异常模式，相互切换，中间肯定会有很多的状态需要保存.比如:如何能知道当前运行在哪种模式下?怎么查?去哪里查呢? 答案是: CPSR(一个) 和 SPSR(5个) 这些寄存器：
- 保存有关最近执行的ALU操作的信息
- 控制中断的启用和禁用
- 设置处理器操作模式
CPSR 寄存器
CPSR(current program status register)当前程序的状态寄存器 CPSR有4个8位区域：标志域（F）、状态域（S）、扩展域（X）、控制域（C） 32 位的程序状态寄存器可分为4 个域：
-
- 位[31：24]为条件标志位域，用f 表示；
-
- 位[23：16]为状态位域，用s 表示；
-
- 位[15：8]为扩展位域，用x 表示；
-
- 位[7：0]为控制位域，用c 表示；
CPSR和其他寄存器不一样，其他寄存器是用来存放数据的，都是整个寄存器具有一个含义. 而CPSR寄存器是按位起作用的，也就是说，它的每一位都有专门的含义，记录特定的信息.
CPSR的低8位（包括I、F、T和M[4：0]）称为控制位，程序无法修改， 除非CPU运行于特权模式下，程序才能修改控制位
N、Z、C、V均为条件码标志位。它们的内容可被算术或逻辑运算的结果所改变， 并且可以决定某条指令是否被执行!意义重大!
- CPSR的第31位是 N，符号标志位。它记录相关指令执行后，其结果是否为负. 如果为负 N = 1，如果是非负数 N = 0.
- CPSR的第30位是Z，0标志位。它记录相关指令执行后，其结果是否为0. 如果结果为0.那么Z = 1.如果结果不为0，那么Z = 0.
- CPSR的第29位是C，进位标志位(Carry)。一般情况下，进行无符号数的运算。 加法运算：当运算结果产生了进位时（无符号数溢出），C=1，否则C=0。 减法运算（包括CMP）：当运算时产生了借位时（无符号数溢出），C=0，否则C=1。
- CPSR的第28位是V，溢出标志位(Overflow)。在进行有符号数运算的时候， 如果超过了机器所能标识的范围，称为溢出。
MSR{条件} 程序状态寄存器(CPSR 或SPSR)_<域>，操作数 MSR 指令用于将操作数的内容传送到程序状态寄存器的特定域中 示例如下：
MSR CPSR，R0 @传送R0 的内容到CPSR
MSR SPSR，R0 @传送R0 的内容到SPSR
MSR CPSR_c，R0 @传送R0 的内容到CPSR，但仅仅修改CPSR中的控制位域
MRS{条件} 通用寄存器，程序状态寄存器(CPSR 或SPSR) MRS 指令用于将程序状态寄存器的内容传送到通用寄存器中。该指令一般用在以下两种情况： 1) 当需要改变程序状态寄存器的内容时，可用MRS 将程序状态寄存器的内容读入通用寄存器，修改后再写回程序状态寄存器。 2) 当在异常处理或进程切换时，需要保存程序状态寄存器的值，可先用该指令读出程序状态寄存器的值，然后保存。 示例如下：
MRS R0，CPSR @传送CPSR 的内容到R0
MRS R0，SPSR @传送SPSR 的内容到R0
@MRS指令是唯一可以直接读取CPSR和SPSR寄存器的指令
SPSR 寄存器
SPSR（saved program status register）程序状态保存寄存器.五种异常模式下一个状态寄存器SPSR，用于保存CPSR的状态，以便异常返回后恢复异常发生时的工作状态。
- 1、SPSR 为 CPSR 中断时刻的副本，退出中断后，将SPSR中数据恢复到CPSR中。
- 2、用户模式和系统模式下SPSR不可用，所以SPSR寄存器只有5个
百篇博客分析.深挖内核地基
- 给鸿蒙内核源码加注释过程中，整理出以下文章。内容立足源码，常以生活场景打比方尽可能多的将内核知识点置入某种场景，具有画面感，容易理解记忆。说别人能听得懂的话很重要! 百篇博客绝不是百度教条式的在说一堆诘屈聱牙的概念，那没什么意思。更希望让内核变得栩栩如生，倍感亲切.确实有难度，自不量力，但已经出发，回头已是不可能的了。
- 与代码有bug需不断debug一样，文章和注解内容会存在不少错漏之处，请多包涵，但会反复修正，持续更新，v**.xx 代表文章序号和修改的次数，精雕细琢，言简意赅，力求打造精品内容。
按功能模块:
| 基础工具 | 加载运行 | 进程管理 | 编译构建 |
|---|---|---|---|
| 双向链表 位图管理 用栈方式 定时器 原子操作 时间管理 |
ELF格式 ELF解析 静态链接 重定位 进程映像 |
进程管理 进程概念 Fork 特殊进程 进程回收 信号生产 信号消费 Shell编辑 Shell解析 |
编译环境 编译过程 环境脚本 构建工具 gn应用 忍者ninja |
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