Arm处理器工作模式实验

### Arm处理器工作模式实验知识点详解 #### 一、实验背景与目标 本实验旨在通过实践操作，让学习者深入理解ARM处理器的工作模式及其切换机制。实验重点在于掌握ARM处理器的各种运行模式，学会如何使用MSR/MRS指令进行模式切换，并通过观察不同模式下寄存器的变化来加深对CPU结构的理解。 #### 二、实验环境配置 - **硬件需求**：普通PC机即可满足实验要求。 - **软件工具**：主要使用ARM ADS 2集成开发环境。该环境支持Windows 98/2000/NT/XP等操作系统。 #### 三、实验预备知识 1. **ARM ADS 2集成开发环境**：需要熟悉此开发环境的基本操作，包括项目的创建、代码编辑、编译链接以及调试等功能。 2. **ARM体系结构及汇编语言基础**：了解ARM架构的基本概念，熟悉ARM汇编语言的语法规则。 #### 四、实验核心知识点解析 ##### 1. ARM处理器运行模式 ARM处理器支持七种不同的运行模式： - **用户模式 (usr)**：正常程序执行状态。 - **快速中断模式 (fiq)**：用于高速数据传输或通道处理。 - **外部中断模式 (irq)**：用于通用中断处理。 - **管理模式 (svc)**：操作系统使用的保护模式。 - **数据访问终止模式 (abt)**：当数据或指令预取终止时进入该模式。 - **系统模式 (sys)**：运行具有特权的操作系统任务。 - **未定义指令中止模式 (und)**：执行未定义指令时进入该模式。 这些模式可以通过软件或外部中断异常进行切换。大多数应用程序运行在用户模式下，此时某些受保护的系统资源不可访问。 ##### 2. 权限模式与异常模式 - **非用户模式**（特权模式）：除了用户模式和系统模式之外的五种模式，用于处理中断或异常以及访问受保护资源。 - **异常模式**：包括除用户模式和系统模式之外的五种模式，主要用于处理中断或异常情况。 ##### 3. 程序状态寄存器 (CPSR) - **CPSR**：当前程序状态寄存器，用于保存ALU操作信息、控制中断、设置处理器模式等。 - **SPSRs**：备份程序状态寄存器，用于异常处理。 ##### 4. CPSR位布局 - **条件码标志**：N、Z、C、V，反映算术或逻辑运算结果。 - **控制位**：I、F、T、M[4:0]，控制中断、运行状态和模式。 - **中断禁止位 I、F**：分别用于禁止IRQ和FIQ中断。 - **T标志位**：反映处理器运行状态（ARM或Thumb状态）。 - **运行模式位 M[4:0]**：确定处理器运行模式。 - **保留位**：不应用于存储数据，未来可能用于ARM版本扩展。 ##### 5. MSR/MRS指令 - **MSR**：用于修改CPSR或SPSR的值，例如`MSR CPSR_c, R0`将R0的低五位置入CPSR的低五位。 - **MRS**：用于从CPSR或SPSR读取值到寄存器，例如`MRS R0, CPSR`将CPSR的值读取到R0寄存器中。 #### 五、实验代码分析示例 下面给出一段示例代码，用于演示如何在ARM处理器上切换到系统模式，并设置CPSR的低五位： ```assembly AREAMode,CODE,READONLY ENTRY B Reset_Handler B Undefined_Handler B SWI_Handler B Prefetch_Handler B Abort_Handler NOP B IRQ_Handler B FIQ_Handler Reset_Handler ; 进入系统模式 MRS R0, CPSR ; CPSR -> R0 BIC R0, R0, #0x1F ; 清除R0的最后五位 ORR R0, R0, #0x1F ; 将R0的最后五位置为11111 MSR CPSR_c, R0 ; 将R0的低五位写入CPSR的低五位 MOV R0, #1 MOV R1, #2 MOV R2, #3 MOV R3, #4 MOV R4, #5 MOV R5, #6 ``` 在这段代码中： 1. 使用`MRS`指令读取CPSR的值到R0寄存器。 2. 使用`BIC`指令清除R0寄存器的最后五位，即清除运行模式位。 3. 使用`ORR`指令将R0寄存器的最后五位置为“11111”，即将运行模式设置为系统模式。 4. 最后使用`MSR`指令将R0寄存器的低五位写入CPSR的低五位，从而将处理器设置为系统模式。 #### 六、实验总结 通过本实验的学习，可以深入了解ARM处理器的不同运行模式及其切换机制。此外，还可以掌握如何使用MSR/MRS指令进行模式切换，并通过观察不同模式下寄存器的变化来加深对CPU结构的理解。这对于后续学习嵌入式系统的开发和优化有着重要的意义。