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ARM處理器工作模式

 Upandi 2011-09-08

arm處理器工作模式

2011/03/04 15:55   [工作 ]
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ARM處理器狀態(tài)

    ARM微處理器的工作狀態(tài)一般有兩種,并可在兩種狀態(tài)之間切換:
第一種為ARM狀態(tài),此時處理器執(zhí)行32位的字對齊的ARM指令;
第二種為Thumb狀態(tài),此時處理器執(zhí)行16位的、半字對齊的Thumb指令。
在程序的執(zhí)行過程中,微處理器可以隨時在兩種工作狀態(tài)之間切換,并且,處理器工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)變并不影響處理器的工作模式和相應寄存器中的內(nèi)容。但ARM微處理器在開始執(zhí)行代碼時,應該處于ARM狀態(tài)。 

ARM處理器狀態(tài)
    進入Thumb狀態(tài):當操作數(shù)寄存器的狀態(tài)位(位0)為1時,可以采用執(zhí)行BX指令的方法,使微處理器從ARM狀態(tài)切換到Thumb狀態(tài)。此外,當處理器處于Thumb狀態(tài)時發(fā)生異常(如IRQ、FIQ、Undef、Abort、SWI等),則異常處理返回時,自動切換到Thumb狀態(tài)。
    進入ARM狀態(tài):當操作數(shù)寄存器的狀態(tài)位為0時,執(zhí)行BX指令時可以使微處理器從Thumb狀態(tài)切換到ARM狀態(tài)。此外,在處理器進行異常處理時,把PC指針放入異常模式鏈接寄存器中,并從異常向量地址開始執(zhí)行程序,也可以使處理器切換到ARM狀態(tài)。

ARM處理器模式
    ARM微處理器支持7種運行模式,分別為:
用戶模式(usr):ARM處理器正常的程序執(zhí)行狀態(tài)。
快速中斷模式(fiq):用于高速數(shù)據(jù)傳輸或通道處理。
外部中斷模式(irq):用于通用的中斷處理。
管理模式(svc):操作系統(tǒng)使用的保護模式。
數(shù)據(jù)訪問終止模式(abt):當數(shù)據(jù)或指令預取終止時進入該模式,可用于虛擬存儲及存儲保護。
系統(tǒng)模式(sys):運行具有特權的操作系統(tǒng)任務。
定義指令中止模式(und):當未定義的指令執(zhí)行時進入該模式,可用于支持硬件協(xié)處理器的軟件仿真。

ARM處理器模式
    ARM微處理器的運行模式可以通過軟件改變,也可以通過外部中斷或異常處理改變。大多數(shù)的應用程序運行在用戶模式下,當處理器運行在用戶模式下時,某些被保護的系統(tǒng)資源是不能被訪問的。
    除用戶模式以外,其余的所有6種模式稱之為非用戶模式,或特權模式;其中除去用戶模式和系統(tǒng)模式以外的5種又稱為異常模式,常用于處理中斷或異常,以及需要訪問受保護的系統(tǒng)資源等情況。

ARM寄存器
    ARM處理器共有37個寄存器。其中包括:31個通用寄存器,包括程序計數(shù)器(PC)在內(nèi)。這些寄存器都是32位寄存器。以及6個32位狀態(tài)寄存器。
關于寄存器這里就不詳細介紹了,有興趣的人可以上網(wǎng)找找,很多這方面的資料。

異常處理
    當正常的程序執(zhí)行流程發(fā)生暫時的停止時,稱之為異常,例如處理一個外部的中斷請求。在處理異常之前,當前處理器的狀態(tài)必須保留,這樣當異常處理完成之后,當前程序可以繼續(xù)執(zhí)行。處理器允許多個異常同時發(fā)生,它們將會按固定的優(yōu)先級進行處理。當一個異常出現(xiàn)以后,ARM微處理器會執(zhí)行以下幾步操作:

進入異常處理的基本步驟:
將下一條指令的地址存入相應連接寄存器LR,以便程序在處理異常返回時能從正確的位置重新開始執(zhí)行。將CPSR復制到相應的SPSR中。根據(jù)異常類型,強制設置CPSR的運行模式位。
強制PC從相關的異常向量地址取下一條指令執(zhí)行,從而跳轉(zhuǎn)到相應的異常處理程序處。如果異常發(fā)生時,處理器處于Thumb狀態(tài),則當異常向量地址加載入PC時,處理器自動切換到ARM狀態(tài)。
ARM微處理器對異常的響應過程用偽碼可以描述為:
R14_ = Return Link
SPSR_= CPSR
CPSR[4:0] = Exception Mode Number
CPSR[5] = 0 ;當運行于 ARM 工作狀態(tài)時
If == Reset or FIQ then;當響應 FIQ 異常時,禁止新的 FIQ 異常
CPSR[6] = 1
PSR[7] = 1
PC = Exception Vector Address

異常處理完畢之后,ARM微處理器會執(zhí)行以下幾步操作從異常返回:
將連接寄存器LR的值減去相應的偏移量后送到PC中。
將SPSR復制回CPSR中。
若在進入異常處理時設置了中斷禁止位,要在此清除。


................................................................................
BootLoader簡介
    簡單地說,Boot Loader 就是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運行之前運行的一段小程序。通過這段小程序,我們可以初始化硬件設備、建立內(nèi)存空間的映射圖,從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個合適的狀態(tài),以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準備好正確的環(huán)境。
    Boot Loader 是嚴重地依賴于硬件而實現(xiàn)的,特別是在嵌入式世界。因此,在嵌入式世界里建立一個通用的 Boot Loader 幾乎是不可能的。盡管如此,我們?nèi)匀豢梢詫?Boot Loader 歸納出一些通用的概念來,以指導用戶特定的 Boot Loader 設計與實現(xiàn)。
   
    基于 ARM7TDMI core 的 CPU 在復位時通常都從地址 0x00000000 取它的第一條指令。在系統(tǒng)加電后,CPU 將首先執(zhí)行 Boot Loader 程序。
大多數(shù) Boot Loader 都包含兩種不同的操作模式:“啟動加載”模式和“下載”模式 :
啟動加載(Boot loading)模式:Boot Loader 從目標機上的某個固態(tài)存儲設備上將操作系統(tǒng)加載到 RAM 中運行,整個過程并沒有用戶的介入。
下載(Downloading)模式:Boot Loader 將通過串口連接或網(wǎng)絡連接等通信手段從主機(Host)下載文件,比如:下載內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像等。

BOOT的一般步驟為:

        設置中斷向量表
        初始化存儲設備
        初始化堆棧
        初始化用戶執(zhí)行環(huán)境
        呼叫主應用程序

設置中斷向量表
    ARM要求中斷向量表必須放置在從0地址開始,連續(xù)8X4字節(jié)的空間內(nèi)。
每當一個中斷發(fā)生以后,ARM處理器便強制把PC指針置為向量表中對應中斷類型的地址值。因為每個中斷只占據(jù)向量表中1個字的存儲空間,只能放置一條ARM指令,使程序跳轉(zhuǎn)到存儲器的其他地方,再執(zhí)行中斷處理。
中斷向量表的程序?qū)崿F(xiàn)通常如下表示:
AREA Boot ,CODE, READONLY
ENTRY
B??? ResetHandler
B??? UndefHandler
B??? SWIHandler
B??? PreAbortHandler
B??? DataAbortHandler
B
B?? ?IRQHandler
B??? FIQHandler
其中關鍵字ENTRY是指定編譯器保留這段代碼,因為編譯器可能會認為這是一段亢余代碼而加以優(yōu)化。鏈接的時候要確保這段代碼被鏈接在0地址處,并且作為整個程序的入口。?

初始化存儲設備
    存儲器端口的接口時序優(yōu)化是非常重要的,這會影響到整個系統(tǒng)的性能。因為一般系統(tǒng)運行的速度瓶頸都存在于存儲器訪問,所以存儲器訪問時序應盡可能的快;而同時又要考慮到由此帶來的穩(wěn)定性問題。
在不同的板子上處理芯片、存儲設備以及其接口差異很大,應根據(jù)不同的情況來配置。

初始化堆棧
    因為ARM有7種執(zhí)行狀態(tài),每一種狀態(tài)的堆棧指針寄存器(SP)都是獨立的。因此,對程序中需要用到的每一種模式都要給SP定義一個堆棧地址。方法是改變狀態(tài)寄存器內(nèi)的狀態(tài)位,使處理器切換到不同的狀態(tài),然后給SP賦值。注意:不要切換到User模式進行User模式的堆棧設置,因為進入User模式后就不能再操作CPSR回到別的模式了,可能會對接下去的程序執(zhí)行造成影響。

   這是一段堆棧初始化的代碼示例:
mrs     r0,cpsr  ;讀取cpsr寄存器的值
bic     r0,r0,#MODEMASK ;把模式位清零
orr     r1,r0,#UNDEFMODE|NOINT
msr     cpsr_cxsf,r1  ;UndefMode
ldr     sp,=UndefStack
其他模式的堆棧的初始化也類似。

堆棧地址的定義一般如下:
^ (_ISR_STARTADDRESS-0x1400)
   
UserStack # 1024 ;#=field,定義一個數(shù)據(jù)域,長度為1024
SVCStack # 1024
UndefStack # 1024
AbortStack # 1024
IRQStack # 1024
FIQStack # 0

初始化用戶執(zhí)行環(huán)境
    一個ARM映像文件由RO,RW和ZI三個段組成,其中RO為代碼段,RW是已初始化的全局變量,ZI是未初始化的全局變量。映像一開始總是存儲在ROM/Flash里面的,其RO部分即可以在ROM/Flash里面執(zhí)行,也可以轉(zhuǎn)移到速度更快的RAM中執(zhí)行;而RW和ZI這兩部分是必須轉(zhuǎn)移到可寫的RAM里去。所謂應用程序執(zhí)行環(huán)境的初始化,就是完成必要的從ROM到RAM的數(shù)據(jù)傳輸和內(nèi)容清零。
   
    編譯器使用下列符號來記錄各段的起始和結(jié)束地址:
|Image$$RO$$Base| :RO段起始地址
|Image$$RO$$Limit| :RO段結(jié)束地址加1
|Image$$RW$$Base| :RW段起始地址
|Image$$RW$$Limit| :ZI段結(jié)束地址加1
|Image$$ZI$$Base| :ZI段起始地址
|Image$$ZI$$Limit| :ZI段結(jié)束地址加1
這些標號的值是根據(jù)鏈接器中設置的中ro-base和rw-base的設置來計算的。
    初始化用戶執(zhí)行環(huán)境主要是把RO、RW、ZI三段拷貝到指定的位置。

調(diào)用主應用程序
    當所有的系統(tǒng)初始化工作完成之后,就需要把程序流程轉(zhuǎn)入主應用程序。最簡單的一種情況是:
IMPORT main
B????? main

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