ARM处理器工作模式实验

ARM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。

通过实验掌握ld中如何使用命令行指定代码段起始地址。

二、实验设备
硬件：PC机。

软件：Embest IDE Pr0 2004集成开发环境，Windows 98/2000/NT/XP。

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3-2所列的7种处理
器模式。

在软件控制下可以改变模式，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称为“特权模式”，它们可以自由地访问系统资源和改变模式。

其中的5种称为“异常模式”，即FIQ(Fast Interrupt Request)、IRQ(lnterrupt Request)、管理(Supervisor)、中止(Abort)和未定义(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。

它与用户模式有完全相同的寄存器，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
3.2节提到的程序状态寄存器CPSR和SPSR包含了条件码标志、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用于保留CPSR的状态。

3．本实验涉及到的Id命令行参数
-Ttext org
使用org作为输出文件的text段的起始地址。

org必须是十六进制数。

实验操作步骤
(1)参考3.1节实验A的步骤(1)建立一个新的工程，命名为ARMMode。

(2)参考3.1节实验A的步骤(2)和实验参考程序编辑输入源代码。

编辑完毕后，保存文件为ARMMode.s。

(3)选择菜单项Project- Add To Project- Files，或在工程管理窗口右击选择快搪菜单命令，打开文件选择对话框，在工程目录下选择刚才建立的源文件ARMMode.s。

(4)参考3.1节实验A的步骤(4)进行相应设置。

注意：在链接器设置选项卡的Link Options框内，手动加上“-Ttext Ox0”，即指定代码段起始地址为Ox0，如图3-8所示。

(5)参考3.1节实验A的步骤(5)生成目标代码。

(6)在调试设置选项卡中的Download address文本框内，输入的下载地址应该与链接器设置中指定的代码段起始地址相同，以保证程序能够正常执行，如图3-9所示。

(7)选择菜单项Debug—Remote Connect连接软件仿真器，执行Download命令下载程序，并打开寄存器窗口。

(8)单步执行，观察并记录寄存器RO和CPSR值的变化，以及每次变化后执行寄存器赋值后36个寄存器值的变化情况，尤其注意各个模式下R13和R14的值。

结合实验内容和相关资料，观察程序运行，通过实验加深理解ARM各种状态下寄存器的使用。

理解和掌握试验后，完成实验练习题。

五、实验结果
实验参考程序
.global _start
.text
_start:
b Reset_Handler Undefined_Handler:
b Undefined_Handler
b SWI_Handler Prefetch_Handler:
b Prefetch_Handler Abort_Handler:
b Abort_Handler
nop /* Reserved vector */
IRQ_Handler:
b IRQ_Handler
FIQ_Handler:
b FIQ_Handler
SWI_Handler:
mov pc, lr
Reset_Handler:
mrs r0,cpsr /* read CPSR value */
bic r0,r0,#0x1f /* clear low 5 bit */
orr r0,r0,#0x1f /* set the mode as System mode */
msr cpsr,r0 /* write the data into CPSR */
mov r0, #1 /* initialization the register in System mode */ mov r1, #2
mov r2, #3
mov r3, #4
mov r4, #5
mov r5, #6
mov r6, #7
mov r7, #8
mov r8, #9
mov r9, #10
mov r10, #11
mov r11, #12
mov r12, #13
mov r13, #14
mov r14, #15
/* into FIQ mode */ mrs r0,cpsr
bic r0,r0,#0x1f
orr r0,r0,#0x11 /* set the mode as FIQ mode */
msr cpsr,r0
mov r8, #16 /* initialization the register in FIQ mode */ mov r9, #17
mov r10, #18
mov r11, #19
mov r12, #20
mov r13, #21
mov r14, #22
/* into SVC mode */
mrs r0,cpsr
bic r0,r0,#0x1f
orr r0,r0,#0x13 /* set the mode as SVC mode */
msr cpsr,r0
mov r13, #23 /* initialization the register in SVC mode */ mov r14, #24
/* into Abort mode */
mrs r0,cpsr
bic r0,r0,#0x1f
orr r0,r0,#0x17 /* set the mode as Abort mode */
msr cpsr,r0
mov r13, #25 /* initialization the register in Abort mode */ mov r14, #26
/* into IRQ mode */
mrs r0,cpsr
bic r0,r0,#0x1f
orr r0,r0,#0x12 /* set the mode as IRQ mode */
msr cpsr,r0
mov r13, #27 /* initialization the register in IRQ mode */ mov r14, #28
/* into UNDEF mode */ mrs r0,cpsr
bic r0,r0,#0x1f
orr r0,r0,#0x1b /* set the mode as UNDEF mode */
msr cpsr,r0
mov r13, #29 /* initialization the register in UNDEF mode */
mov r14, #30
b Reset_Handler
.end
总结：
通过此次实验学会了使用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，加深了对CPU结构的理解，同时掌握了ld中如何使用命令行指定代码段起始地址。