arm的7種執行模式
阿新 • • 發佈：2019-02-02
ARMv4以上版本的CPU任何時刻必定處於如下7種執行模式之一：
（1） User Mode：使用者模式。作業系統的Task一般以這種模式執行。User Mode是ARM唯一的非特權模式，這表示如果CPU處於這種模式下，很多指令將不能夠執行，因此作業系統的資源得以保護。
（2） System Mode：這是V4及其以上版本所引入的特權模式。、
（3） IRQ Mode：中斷模式。中斷（不包括軟中斷）處理函式在這種模式下執行。
（4） FIQ Mode：快速中斷模式。除了多了幾個暫存器外，其他同IRQ一樣。
（5） Supervisor Mode：監視模式。軟中斷（SWI)處理函式在這種模式下執行。
（6） Abort Mode：所有同記憶體保護相關的異常均在這種模式下執行。
（7） Undefined Mode：處理無效指令的異常處理函式在這種模式下執行。
程式可以通過讀取CPSR的MODE域來判斷CPU當前的執行模式。
如何看待ARM的各種模式？要回答這個問題，我們要看不同模式下，有哪些東西不同。歸納來說，有如下兩個方面的不同：
（1） 物理暫存器不同
（2） 許可權不同
如果將User Mode作為參考模式，那麼：
（1） System Mode：暫存器一樣，僅僅是許可權不同
（2） 其他Exception Mode：暫存器不一樣，許可權也不一樣
從許可權的角度看，System Mode和其他Exception Mode（FIQ，IRQ，Supervisor，Abort，Undefined）是一樣的，他們之間的區別僅僅是暫存器方面有一些差別。
從暫存器角度看，我們可以將CPSR中的MODE域看作一個類似於片選的東西，當其值不一樣，所選中的暫存器也不一樣。雖然指令中的暫存器是一樣的，但是經過MODE域的片選後，實際就指向不同的物理暫存器了。
必須要特別注意，SYSTEM模式和USER模式除了許可權不一樣外，其他都一樣，這樣可以讓作業系統自由訪問16個暫存器（包括狀態暫存器）。
那麼，模式切換是如何進行的呢？
（1） 執行SWI或Reset指令。如果在User模式下執行SWI指令，CPU就進入Supervisor模式。當然，在其它模式下執行SWI指令，也會進入Supervisor模式，補過一般作業系統不會這麼做。因為除了User模式是非特權模式下，其他模式都屬於特權模式（這說明ARM只有兩種執行態，不想Dummy的X86，定義了4種執行態）。執行SWI一般是為了訪問系統資源，在特權模式下可以訪問所有的系統資源。SWI指令一般用來用來為作業系統提供API介面。
（2） 有外部中斷髮生。如果發生了外部中斷，CPU就會進入IRQ或FIQ模式，具體是哪種模式，得看外部的中斷源是接到CPU的那個Pin。
（3） CPU執行過程中產生異常。最典型的異常是由於MMU保護所引起的記憶體訪問異常，此時CPU會切換到Abort模式。如果是無效指令，則會進入Undefined模式。
從上面我們發現，有一種模式是CPU無法自動進入的，這種模式就是System模式。要進入System模式必須由程式設計師自己編寫指令來實現。其實很簡單，在任何特權模式下改變CPSR的MODE域為System模式所對應得數字即可。進入System模式一般是為了利用“System 模式”和“User 模式”下的暫存器是一樣的。因此一般作業系統在通過SWI進入Supervisor模式後，做一些簡單處理後，就進入System模式。
另外，在任何特權模式下，都可以通過修改CPSR的MODE域而進入其他模式。不過需要注意的是，由於修改的CPSR是該模式下的影子CPSR，因此並不是實際的CPSR，所以一般的做法是修改影子CPSR，然後執行一個MOVS指令來恢復執行到某個斷點並切換到新模式。
我們還可以將執行模式按照如下型別劃分：
（1） 使用者模式：User Mode
（2） 系統模式：System Mode
（3） 異常模式：所有其它5種模式
為什麼這樣劃分呢？這是由於異常模式同用戶模式和系統模式有一個不一樣的地方，那就是，當CPU產生中斷或異常而自動切換到相應異常模式後，CPU會根據產生中斷或異常的原因執行相應得中斷或異常向量。這些向量的位置是CPU事先定義好的，目前有兩種選擇：
（1） 處於記憶體低地址0x00000000~0x0000001c，這種情況被稱之為Low vector
（2） 處於記憶體高低之0Xffff0000~0xffff001c，這種情況被稱之為High vector。
一般的作業系統會在這些異常向量地址處放置一條跳轉指令。至於到底是使用Low vector，還是使用High vector，由CPU自己決定，ARM規範不做任何限制。
（1） User Mode：使用者模式。作業系統的Task一般以這種模式執行。User Mode是ARM唯一的非特權模式，這表示如果CPU處於這種模式下，很多指令將不能夠執行，因此作業系統的資源得以保護。
（2） System Mode：這是V4及其以上版本所引入的特權模式。、
（3） IRQ Mode：中斷模式。中斷（不包括軟中斷）處理函式在這種模式下執行。
（4） FIQ Mode：快速中斷模式。除了多了幾個暫存器外，其他同IRQ一樣。
（5） Supervisor Mode：監視模式。軟中斷（SWI)處理函式在這種模式下執行。
（6） Abort Mode：所有同記憶體保護相關的異常均在這種模式下執行。
（7） Undefined Mode：處理無效指令的異常處理函式在這種模式下執行。
程式可以通過讀取CPSR的MODE域來判斷CPU當前的執行模式。
如何看待ARM的各種模式？要回答這個問題，我們要看不同模式下，有哪些東西不同。歸納來說，有如下兩個方面的不同：
（1） 物理暫存器不同
（2） 許可權不同
如果將User Mode作為參考模式，那麼：
（1） System Mode：暫存器一樣，僅僅是許可權不同
（2） 其他Exception Mode：暫存器不一樣，許可權也不一樣
從許可權的角度看，System Mode和其他Exception Mode（FIQ，IRQ，Supervisor，Abort，Undefined）是一樣的，他們之間的區別僅僅是暫存器方面有一些差別。
從暫存器角度看，我們可以將CPSR中的MODE域看作一個類似於片選的東西，當其值不一樣，所選中的暫存器也不一樣。雖然指令中的暫存器是一樣的，但是經過MODE域的片選後，實際就指向不同的物理暫存器了。
必須要特別注意，SYSTEM模式和USER模式除了許可權不一樣外，其他都一樣，這樣可以讓作業系統自由訪問16個暫存器（包括狀態暫存器）。
那麼，模式切換是如何進行的呢？
（1） 執行SWI或Reset指令。如果在User模式下執行SWI指令，CPU就進入Supervisor模式。當然，在其它模式下執行SWI指令，也會進入Supervisor模式，補過一般作業系統不會這麼做。因為除了User模式是非特權模式下，其他模式都屬於特權模式（這說明ARM只有兩種執行態，不想Dummy的X86，定義了4種執行態）。執行SWI一般是為了訪問系統資源，在特權模式下可以訪問所有的系統資源。SWI指令一般用來用來為作業系統提供API介面。
（2） 有外部中斷髮生。如果發生了外部中斷，CPU就會進入IRQ或FIQ模式，具體是哪種模式，得看外部的中斷源是接到CPU的那個Pin。
（3） CPU執行過程中產生異常。最典型的異常是由於MMU保護所引起的記憶體訪問異常，此時CPU會切換到Abort模式。如果是無效指令，則會進入Undefined模式。
從上面我們發現，有一種模式是CPU無法自動進入的，這種模式就是System模式。要進入System模式必須由程式設計師自己編寫指令來實現。其實很簡單，在任何特權模式下改變CPSR的MODE域為System模式所對應得數字即可。進入System模式一般是為了利用“System 模式”和“User 模式”下的暫存器是一樣的。因此一般作業系統在通過SWI進入Supervisor模式後，做一些簡單處理後，就進入System模式。
另外，在任何特權模式下，都可以通過修改CPSR的MODE域而進入其他模式。不過需要注意的是，由於修改的CPSR是該模式下的影子CPSR，因此並不是實際的CPSR，所以一般的做法是修改影子CPSR，然後執行一個MOVS指令來恢復執行到某個斷點並切換到新模式。
我們還可以將執行模式按照如下型別劃分：
（1） 使用者模式：User Mode
（2） 系統模式：System Mode
（3） 異常模式：所有其它5種模式
為什麼這樣劃分呢？這是由於異常模式同用戶模式和系統模式有一個不一樣的地方，那就是，當CPU產生中斷或異常而自動切換到相應異常模式後，CPU會根據產生中斷或異常的原因執行相應得中斷或異常向量。這些向量的位置是CPU事先定義好的，目前有兩種選擇：
（1） 處於記憶體低地址0x00000000~0x0000001c，這種情況被稱之為Low vector
（2） 處於記憶體高低之0Xffff0000~0xffff001c，這種情況被稱之為High vector。
一般的作業系統會在這些異常向量地址處放置一條跳轉指令。至於到底是使用Low vector，還是使用High vector，由CPU自己決定，ARM規範不做任何限制。