郑州尚学堂：如何看待ARM的各种模式？

嵌入式设备已经越来越与我们的日常生活密切相关了，由此带来了ARM的高速发展。就拿我们的手机来说吧，几乎所有的手机都是ARM体系的。这里大致介绍下ARM 的7种执行模式。

ARMv4以上版本的CPU任何时刻必定处于如下7种执行模式之一：

（1） User Mode：用户模式。操作系统的Task一般以这种模式执行。User Mode是ARM唯一的非特权模式，这表示如果CPU处于这种模式下，很多指令将不能够执行，因此操作系统的资源得以保护。

（2） System Mode：这是V4及其以上版本所引入的特权模式。

（3） IRQ Mode：中断模式。中断（不包括软中断）处理函数在这种模式下执行。

（4） FIQ Mode：快速中断模式。除了多了几个寄存器外，其他同IRQ一样。

（5） Supervisor Mode：监视模式。软中断（SWI)处理函数在这种模式下执行。

（6） Abort Mode：所有同内存保护相关的异常均在这种模式下执行。

（7） Undefined Mode：处理无效指令的异常处理函数在这种模式下执行。 

程序可以通过读取CPSR的MODE域来判断CPU当前的执行模式。

如何看待ARM的各种模式？要回答这个问题，我们要看不同模式下，有哪些东西不同。归纳来说，有如下两个方面的不同：

（1） 物理寄存器不同

（2） 权限不同 
如果将User Mode作为参考模式，那么：

（1） System Mode：寄存器一样，仅仅是权限不同

（2） 其他Exception Mode：寄存器不一样，权限也不一样 

从权限的角度看，System Mode和其他Exception Mode（FIQ，IRQ，Supervisor，Abort，Undefined）是一样的，他们之间的区别仅仅是寄存器方面有一些差别。

从寄存器角度看，我们可以将CPSR中的MODE域看作一个类似于片选的东西，当其值不一样，所选中的寄存器也不一样。虽然指令中的寄存器是一样的，但是经过MODE域的片选后，实际就指向不同的物理寄存器了。

必须要特别注意，SYSTEM模式和USER模式除了权限不一样外，其他都一样，这样可以让操作系统自由访问16个寄存器（包括状态寄存器）。

那么，模式切换是如何进行的呢？

（1）执行SWI或Reset指令。如果在User模式下执行SWI指令，CPU就进入Supervisor模式。当然，在其它模式下执行SWI指令，也会进入Supervisor模式，补过一般操作系统不会这么做。因为除了User模式是非特权模式下，其他模式都属于特权模式（这说明ARM只有两种执行态，不想Dummy的X86，定义了4种执行态）。执行SWI一般是为了访问系统资源，在特权模式下可以访问所有的系统资源。SWI指令一般用来用来为操作系统提供API接口。

（2）有外部中断发生。如果发生了外部中断，CPU就会进入IRQ或FIQ模式，具体是哪种模式，得看外部的中断源是接到CPU的那个Pin。

（3）CPU执行过程中产生异常。最典型的异常是由于MMU保护所引起的内存访问异常，此时CPU会切换到Abort模式。如果是无效指令，则会进入Undefined模式。

从上面我们发现，有一种模式是CPU无法自动进入的，这种模式就是System模式。要进入System模式必须由程序员自己编写指令来实现。其实很简单，在任何特权模式下改变CPSR的MODE域为System模式所对应得数字即可。进入System模式一般是为了利用“System 模式”和“User 模式”下的寄存器是一样的。因此一般操作系统在通过SWI进入Supervisor模式后，做一些简单处理后，就进入System模式。

另外，在任何特权模式下，都可以通过修改CPSR的MODE域而进入其他模式。不过需要注意的是，由于修改的CPSR是该模式下的影子CPSR，因此并不是实际的CPSR，所以一般的做法是修改影子CPSR，然后执行一个MOVS指令来恢复执行到某个断点并切换到新模式。

我们还可以将执行模式按照如下类型划分： 
（1）用户模式：User Mode 
（2）系统模式：System Mode 
（3）异常模式：所有其它5种模式 

为什么这样划分呢？这是由于异常模式同用户模式和系统模式有一个不一样的地方，那就是，当CPU产生中断或异常而自动切换到相应异常模式后，CPU会根据产生中断或异常的原因执行相应得中断或异常向量。这些向量的位置是CPU事先定义好的，目前有两种选择：

（1）处于内存低地址0x00000000~0x0000001c，这种情况被称之为Low vector 
（2）处于内存高低之0Xffff0000~0xffff001c，这种情况被称之为High vector。

一般的操作系统会在这些异常向量地址处放置一条跳转指令。至于到底是使用Low vector，还是使用High vector，由CPU自己决定，ARM规范不做任何限制。