Arm汇编指令和切换模式

ARM异常处理模式

​ ARM有七种异常中断类型，优先级、工作模式（有七种工作模式）、地址、功能都不一样。如其中软件中断SWI优先级为6，工作模式管理模式，异常向量地址为0x00000008，功能是用户定义的中断指令，可用于用户模式下的程序调用特权操作。

​

​ 当中断产生后，除了复位中断立即中止当前指令外，其余情况都是处理器完成当前指令后，才去执行异常处理程序。

• 将CPSR的值保存到将要执行的异常中断对应的各自SPSR中，以实现对处理器当前状态、中断屏蔽及各标志位的保护。

• 设置当前状态寄存器CPSR的相应位。设置CPSR中的M4~M0的5位，进入相应工作模式，设置I=1禁止IRQ中断，如果进入复位模式或FIQ模式，还要设置F=1以禁止FIQ中断。

• 将引起异常指令的下一条地址（断点地址）保存到新异常工作模式的LR（R14）中，使异常处理程序执行完后正确返回原来程序处继续向下执行。

• 给程序计数器PC强制赋值，转入向量地址，以便执行相应的处理程序。

每种中断异常模式对应两个寄存器SP和LR。

从中断返回。如果是复位异常，系统自动从0x00000000开始重新执行程序，无需返回。

• 首先恢复原来被保护的用户寄存器。

• 将SPSR寄存器复制到CPSR中，使得原来CPSR状态从相应的SOSR中恢复，一恢复被中断的程序状态。

• 根据异常类型将PC值恢复成断点地址，以继续执行用户原来运行着的程序。

• 清除CPSR中的中断禁止标志I和F，开放外部中断和快速中断。

注意：（1）程序状态寄存器及断点地址的恢复必须同时进行。

（2）由于异常随机发生，所以要对异常向量进行初始化，即在异常向量的地址处放置一条跳转指令，跳转到异常处理程序。

​ 前面我们学习ARM工作模式中，处理器模式切换可以通过软件控制进行切换，即修改CPSR模式位，但这是在特权模式（SVC）下，一旦继续往下运行即当我们处于用户模式下，是没有权限实现模式转换的。若想实现模式切换，只能由另一种方法来实现，即通过外部中断或是异常处理过程进行切换。于是ARM指令集中提供了两条产生异常的指令，通过这两条指令可以用软件的方法实现异常，其中一个就是中断指令SWI 。

​ 一、软件中断

​ 软中断是利用硬件中断的概念，用软件方式进行模拟，实现从用户模式切换到特权模式并执行特权程序的机制。

​ 硬件中断是由电平的物理特性决定，在电平变化时引发中断操作，而软中断是通过一条具体指令SWI，引发中断操作，也就是说用户程序里可以通过写入SWI指令来切换到特权模式，当CPU执行到SWI指令时会从用户模式切换到管理模式下，执行软件中断处理。由于SWI指令由操作系统提供的API封装起来，并且软件中断处理程序也是操作系统编写者提前写好的，因此用户程序调用API时就是将操作权限交给了操作系统，所以用户程序还是不能随意访问硬件。

​ 软件中断指令（Software Interrupt, SWI）用于产生软中断，实现从用户模式变换到管理模式，CPSR保存到管理模式的SPSR中，执行转移到SWI向量。在其他模式下也可以使用SWI指令，处理器同样切换到管理模式。

SWI指令格式如下：

SWI{cond} immed_24

其中：immed_24 24位立即数，值为从0――16777215之间的整数。

​ SWI指令后面的24立即数是干什么用的呢？用户程序通过SWI指令切换到特权模式，进入软中断处理程序，但是软中断处理程序不知道用户程序到底想要做什么？SWI指令后面的24位用来做用户程序和软中断处理程序之间的接头暗号。通过该软中断立即数来区分用户不同操作，执行不同内核函数。如果用户程序调用系统调用时传递参数，根据ATPCSC语言与汇编混合编程规则将参数放入R0~R4即可。通俗一点说就是我软件中断然后我干些什么，就是通过后面的24位立即数来判断，因为软中断我可以写很多个处理程序，最后到底是哪一个中断发生就是通过SWI后面的立即数来切换到相应的处理程序中。下面将如何判断这个立即数做详述。

​ 二、软中断处理

CPU执行到swi xxx执行后，产生软件中断，由异常处理部分知识可知，软中断产生后CPU将强制将PC的值置为异常向量表地址0x08，在异常向量表0x08处安放跳转指令b HandleSWI，这样CPU就跳往我们自己定义的HandleSWI处执行。地址分配从0x00开始。

  .text
  b     reset           @0x00  reset
  ldr   pc,_udef        @0x04  udef
  ldr   pc,_swi_handler @0x08  swi   软中断程序的入口   突破32M空间的限制
  ldr   pc,_prefech     @0x0c  prefetch abort
  ldr   pc,_data_abort  @0x10  data  abort
  nop                   @0x14 reserved
  ldr   pc,_irq       	@0x18  irq
  ldr   pc,_fiq        	@0x1c  fiq
  
_udef:
  .word   _udef
_swi_handler:
  .word   swi_handler  
_prefech:
  .word   _prefech
_data_abort:
  .word   _data_abort  
_irq:
  .word   _irq  
_fiq:
  .word   _fiq  

swi_handler:   	@ 0xffff00ff
  stmfd  sp!,{r0,lr}    @进栈保护现场
  sub  r0,lr,#4
  ldr  r0,[r0]
  bic  r0,#0xff000000
  bl    fun
  ldmfd  sp!,{r0,pc}^    @出栈恢复现场
  
fun:
	cmp   r0,#6  //中断号为6
		~~//处理函数
	mov   pc,lr

reset:
   ldr  sp,=stack_base			@切换到应用程序
   msr  cpsr,#0x10
   mov  r0,#3					@保护现场测试
   swi  6    @跳转到异常向量表中软中断的入口位置
             @保存返回地址到LR 
			 @切换到SVC工作模式
   mov  r1,r0
   b    reset
   .data
buf:
   .space   32
stack_base:
   .end

1–保护现场

软中断处理中通过STMFD SP!, {R0, LR} 要保存程序执行现场，将R0通用寄存器数据保存在管理模式下SP栈内，LR由硬件自动保存软中断指令下一条指令的地址（后面利用LR的地址取得SWI指令编码），该寄存器值也保存在SP栈内，将来处理完毕之后返回；

2–获取SWI指令编码

由SWI指令编码知识可知，SWI指令低24位保存有软中断号，通过LDR R0, [LR, #-4]指令，取得SWI指令编码（LR为硬件自动保存SWI xxx指令的下一条指令地址，LR – 4就是SWI指令地址），将其保存在R0寄存器中。通过BIC R0, R0, #0xFF000000 指令将SWI指令高8位清除掉，只保留低24位立即数，取得ＳＷＩ指令编码；

3–根据SWI指令做出相应操作

根据24位立即数中的软中断号判断用户程序的请求操作。代码中SWI编码为6，则判断R0 中是不是6 在处理相应的程序，根据ATPCS调用规则，R0~R3做为参数传递寄存器，在软中断处理中没有使用这4个寄存器，而是使用R0作为操作寄存器的。

4–返回并恢复现场

​ 执行完系统调用操作之后，将进入软中断处理时保存的返回地址LR的值恢复给PC，实现程序返回，再利用ldmfd sp!,{r0,pc}^ 指令同时还恢复了状态寄存器。切换回用户模式下程序中继续执行。

​ 其实讲到这，会产生一个疑问，什么时候需要我们从用户模式切换到管理模式？我们应该记得系统调用，就是用户态向内核态的切换。

​ 三、系统调用

​ 这好比我们去银行取款，用户自己的银行帐户不可能随意操作，必须要有一个安全的操作流程和规范，银行里的布局通常被分成两部分，中间用透明玻璃分隔开，只留一个小窗口，面向用户的是用户服务区，工作人员所在区域为内部业务操作区，取款时，将银行卡或存折通过小窗口交给业务员，并且告诉他要取多少钱，具体取钱的操作你是不会直接接触的，业务员会将银行帐户里减掉取款金额，将现金给你。上述操作流程可以很好保护银行系统，银行系统的操作全部由业务员来实现，用户只能向业务员提出自己的服务请求。银行里的小窗口就类似与操作系统的系统调用接口，是将用户请求传递给内核的接口。

​ 操作系统里将用户程序运行在用户模式下，并且为其分配可以使用内存空间，其它内存空间不能访问，内核态运行在特权模式下，对系统所有硬件进行统一管理和控制。从前面所学知识可以了解到，用户模式下没有权限进行模式切换，这也就意味着用户程序不可能直接通过切换模式去访问硬件寄存器，如果用户程序试图访问没有权限的硬件，会产生异常。这样用户程序被限制起来，如果用户程序想要使用硬件时怎么办呢？用户程序使用硬件时，必须调用操作系统提供的API接口才可以，而操作系统API接口通过软件中断方式切换到管理模式下，实现从用户模式下进入特权模式。

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