ARM内核工作模式及其切换条件
用户模式(User Mode, usr)
权限最低，运行普通应用程序。只能通过异常被动切换到其他模式。
快速中断模式(FIQ Mode, fiq)
处理高速外设中断，专用寄存器减少上下文保存时间，响应周期约4个时钟周期。触发条件为FIQ中断源激活。
外部中断模式(IRQ Mode, irq)
处理通用外设中断，共享寄存器，响应周期约12个时钟周期。触发条件为IRQ中断且未被FIQ抢占。
管理模式(SVC Mode, svc)
系统初始化和内核关键操作模式。上电默认进入，或通过SWI指令触发。
数据访问终止模式(Abort Mode, abt)
处理非法内存访问异常。触发条件为数据指令访问无效地址。
未定义指令模式(Undefined Mode, und)
执行未定义指令时自动切换。
系统模式(System Mode, sys)
特权级系统任务，与用户模式共享寄存器但权限更高。需手动修改CPSR切换。
ARMv7-A/ARMv8-A新增模式
- 监控模式(Monitor Mode, mon)：用于TrustZone安全扩展。
- Hyp模式：支持虚拟化扩展。
模式切换机制
- 异常触发时，硬件自动修改CPSR的M[4:0]位。
- 保存PC到对应LR寄存器，CPSR到SPSR。
- 跳转至异常处理程序，完成后恢复现场。
异常向量表详解
布局（ARMv7-A）
| 偏移地址 | 异常类型 | 描述 |
|---|---|---|
| 0x00 | Reset | 上电或复位 |
| 0x04 | Undefined Instruction | 未定义指令异常 |
| 0x08 | SWI (SVC) | 软件中断（系统调用） |
| 0x0C | Prefetch Abort | 取指异常 |
| 0x10 | Data Abort | 数据访问异常 |
| 0x18 | IRQ | 普通中断 |
| 0x1C | FIQ | 快速中断 |
作用
- 提供固定入口点，减少响应延迟。
- 自动保存PC和CPSR，提升权限至特权模式。
响应流程
- 切换到对应异常模式。
- 保存返回地址到LR，CPSR到SPSR。
- 跳转至向量表入口执行处理程序。
立即数合法性判断
编码规则
- 12位字段：低8位为基值（
immed_8），高4位为循环右移位数（rotate_imm4）。 - 生成公式：
immediate = immed_8 ROR (2 × rotate_imm4)
快速判断方法
- 统计二进制中1的个数，若＞8则非法。
- 通过循环左移使高位为0，检查剩余有效位数≤8即为合法。
示例
- 合法：
0x234（0010_0011_0100→ 处理后8位） - 非法：
0x4FF（1的个数为9）
设计原因
- 指令长度限制（32位中占12位）。
- 桶形移位器高效实现循环移位。
B、BL、BX指令对比
| 指令 | 保存返回地址 | 状态切换 | 跳转范围 | 用途 |
|---|---|---|---|---|
| B | 否 | 否 | ±32MB | 短跳转、循环 |
| BL | 是（到LR） | 否 | ±32MB | 函数调用 |
| BX | 否 | 是 | 寄存器指定地址 | ARM/Thumb状态切换 |
关键点
BL用于子程序调用，自动保存PC+4到LR。BX根据目标地址最低位切换指令集（0=ARM，1=Thumb）。
ARM栈类型与操作
栈特性
- 类型：满降栈（Full Descending, FD）。
- 增长方向：向低地址扩展。
栈帧结构
FP（R11）指向栈帧起始，SP（R13）指向栈顶。- 保存内容：局部变量、多余参数、返回地址（LR）。
操作示例
; 函数入口
stmdb sp!, {fp, lr} ; 压栈保存FP和LR
mov fp, sp ; 设置新FP
sub sp, sp, #8 ; 分配局部变量空间; 函数退出
mov sp, fp ; 恢复SP
ldmia sp!, {fp, pc} ; 弹出FP和PC（返回）
多栈类型（ARM64/Linux）
- 用户栈（8MB）、内核栈（16KB）、中断栈（32KB/CPU）。
总结
ARM工作模式、异常向量表、立即数编码、跳转指令和栈管理是底层开发的核心内容。理解这些机制有助于优化代码性能和调试系统异常。实际应用中需结合具体架构手册（如Cortex-M/A系列）进行细节调整。
