实验四、ARM 微处理器工作模式实验
一、实验目的
通过实验掌握学会使用MSR/MRS 指令实现ARM 处理器工作模式的切换，观察 不同模式下的寄存器，加深对CPU 结构的理解。 二、实验设备
硬件：嵌入式实验平台一套、仿真器一个、PC机一台。
软件：Windows 98/2000/NT/XP 操作系统、仿真器驱动程序、ADS 开发软件一套。 三、实验内容
通过ARM 汇编指令，在各种处理器模式下切换并观察各种模式下寄存器的区别；掌握 ARM 不同模式的进入与退出。
四、实验原理
1．ARM 处理器模式
ARM 体系结构支持表1-所示的7 种处理器模式。 处理器模式说明：
用户 usr 正常程序执行模式
FIQ fiq 支持告诉数据传送或通道处理 IRQ Irq 用于通用中断处理 管理 svc 操作系统保护模式
中止 abt 实现虚拟存储器和/或存储器保护 未定义 und 支持硬件协处理器的软件仿真 系统 sys 运行特权操作系统任务
在软件控制下也可以改变模式，外部中断或异常处理也可以引起模式发生改变。大多数应用程序在用户模式下执行。当处理器工作在用户模式时，正在执行的程序不能访问某些被保护的系统资源，也不能改变模式，除非异常发生。这允许适当编写操作系统来控制系统资源的使用。
除用户模式外的其他模式成为特权模式。它们可以自由地访问系统资源和改变模式。其 中5 种称为异常模式，即：
FIQ(Fast Interrupt Request)； IRQ(Interrupt Request)； 管理(Supervisor)； 中止(Abort)；
未定义(Undefined) 。
当特定的异常出现时，进入相应的模式。每种模式都有某些附加的寄存器，以避免异常出现时用户模式的状态不可靠。
剩下的模式是系统模式。仅ARM 体系结构V4 以及以上的版本有该模式。不能由于任 何异常而进入该模式。它与用户模式有相同的寄存器，但它是特权模式，不受用户模式的限 制。它供需要访问系统资源的操作系统任务使用，但希望避免使用与异常模式有关的附加寄 存器。避免使用附加寄存器保证了当任何异常出现时，都不会使任务的状态不可靠。
2．程序状态寄存器
在所有处理模式下，都可以访问当前程序状态寄存器CPSR。CPSR包含条件码标志、中断禁止位、当前处理器模式以及其他状态和控制信息。每种异常模式都有一个程序状态保存寄存器SPSR。当异常出现时，SPSR用于保存CPSR的状态。 CPSR 和SPSR 的格式如下：
31 30 29 28 27 26 8 7 6 5 4 3 2 1 0
N Z C V Q DNM(RAZ) I F T MMMM M （1）条件码标志
N、Z、C、V：大多数指令可以检测这些条码标志，以决定程序指令如何执行。 （2）控制位
最低8 位I、F、T 和M 位用作控制位。当异常出现时改变控制位。当处理器在特权模式下时也可以由软件改变。
中断禁止位：I置1 则禁止IRQ 中断；F 置1 则禁止FIQ 中断。
T 位：T＝0 指示ARM 执行；T＝1指示Thumb 执行。在这些体系结构的系统中，可自由地使用能在ARM 和Thumb 状态之间切换的指令。
模式位：M0、M1、M2、M3 和M 4(M[4：0])是模式位。这些位决定处理器的工作模 式，如表1- 所列：
M[4：0] 模式可访问的寄存器
0b10000 用户 PC， R14~R0, CPSR
0b10001 FIQ PC， R14_fiq~R8_fiq, R7~R0, CPSR, SPSR_fiq 0b10010 IRQ PC， R14_irq~R13_irq, R12~R0, CPSR, SPSR_irq 0b10011 管理 PC ，R14_svc~R13_svc, R12~R0, CPSR, SPSR_svc 0b10111 中止 PC， R14_abt~R13_abt, R12~R0, CPSR, SPSR_abt 0b11011 为定义 PC，R14_und~R13_und,R12~R0, CPSR, SPSR_und 0b11111 系统 PC，R14~R0,CPSR （3）其他位
程序状态寄存器的其他位保留，用作以后扩展。
五、实验操作步骤
1.启动ADS1.2 ，建立一个新的工程和源文件，编译、连接，并启动AXD 进行调试； 2.观察当前模式下每个寄存器的值；
3.单步运行程序，注意观察CPSR、SPSR 以及R0 寄存器值得变化。 说明：CPSR 寄存器显示方式分为两部分，一部分是各个标志位，另一部分是工作模式。 标志位NZCVQ 为条件码标志N、Z、C、V、Q，显示为大写字母，表示该位为1；显示为小写字母，表示该位为0。Q标志在ARM 体系结构v5 及以上版本的E 变量中才有效。 标志位IFT 为IRQ 中断禁止位I、FIQ中断禁止位F、ARM微控制器状态位T，显示为 大写字母，表示该位为1；显示为小写字母，表示该位为0。T 标志在ARM 体系结构v4 及以上版本的T变量中才有效。
4．理解并掌握本实验原理及程序，完成练习题
5．记录每种模式堆栈位置，编译环境中更改目标项目的RO程序段和RW数据段起始地址，从新编译连接，调试运行，观察堆栈位置变化，记录堆栈所处位置。
六、实验参考程序
;ARM 微控制器工作模式实验的参考程序如下： ;定义堆栈的大小
USR_STACK_LEGTH EQU 64 SVC_STACK_LEGTH EQU 0 FIQ_STACK_LEGTH EQU 16 IRQ_STACK_LEGTH EQU 64 ABT_STACK_LEGTH EQU 0 UND_STACK_LEGTH EQU 0
AREA Example3,CODE,READONLY ;声明代码段Example3 ENTRY ;标识程序入口
CODE32 ;声明32 位ARM 指令
START MOV R0,#0
MOV R1,#1 MOV R2,#2 MOV R3,#3 MOV R4,#4 MOV R5,#5 MOV R6,#6 MOV R7,#7 MOV R8,#8 MOV R9,#9 MOV R10,#10 MOV R11,#11 MOV R12,#12
BL InitStack ;初始化各模式下的堆栈指针
;打开IRQ 中断（将CPSR 寄存器的1 位清零）
MRS R0,CPSR ;R0 <-CPSR BIC R0,R0,#0X80 MSR CPSR_cxsf,R0 ;CPSR <-R0
;切换到用户模式 MSR CPSR_c,#0xd0 MRS R0,CPSR
;切换到管理模式 MSR CPSR_c,#0xd0 MRS R0,CPSR
HALT B HALT
;名称：InitStack
;功能：堆栈初始化，即初始化各模式下下的堆栈指针。 ;入口参数：无 ;出口参数：无
;说明：在特权模式下调用此子程序，比如复位后的管理模式 InitStack
MOV R0,LR ;R0 <-LR ，因为各种模式下R0 是相同的 ;设置管理模式堆栈 MSR CPSR_c,#0xd3 LDR SP,StackSvc ;设置中断模式堆栈 MSR CPSR_c,#0xd2 LDR SP,StackIrq
;设置快速中断模式堆栈 MSR CPSR_c,#0xd1 LDR SP,StackFiq
;设置中止模式堆栈 MSR CPSR_c,#0xd7 LDR SP,StackAbt
;设置为定义模式堆栈 MSR CPSR_c,#0xdb LDR SP,StackUnd ;设置系统模式堆栈 MSR CPSR_c,#0xdf LDR SP,StackUsr MOV PC,R0
StackUsr DCD UsrStackSpace+(USR_STACK_LEGTH-1)*4 StackSvc DCD SvcStackSpace+(SVC_STACK_LEGTH-1)*4 StackIrq DCD IrqStackSpace+(IRQ_STACK_LEGTH-1)*4 StackFiq DCD FiqStackSpace+(FIQ_STACK_LEGTH-1)*4 StackAbt DCD AbtStackSpace+(ABT_STACK_LEGTH-1)*4 StackUnd DCD UndStackSpace+(UND_STACK_LEGTH-1)*4
;分配堆栈空间
AREA MyStacks, DATA, NOINIT, ALIGN=2
UsrStackSpace SPACE USR_STACK_LEGTH*4 SvcStackSpace SPACE SVC_STACK_LEGTH*4 IrqStackSpace SPACE IRQ_STACK_LEGTH*4 FiqStackSpace SPACE FIQ_STACK_LEGTH*4 AbtStackSpace SPACE ABT_STACK_LEGTH*4
UndStackSpace SPACE UND_STACK_LEGTH*4
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