1、用户模式(Usr)：用于正常执行程序；
2、快速中断模式(FIQ)：用于高速数据传输；
3、外部中断模式(IRQ)：用于通常的中断处理；
4、管理模式(svc)：操作系统使用的保护模式；
5、数据访问终止模式(abt)：当数据或指令预取终止时进入该模式，可用于虚拟存储以及存储保护；
6、系统模式(sys)：运行具有特权的操作系统任务；
7、未定义指令中止模式(und)：当未定义的指令执行时进入该模式，可用于支持硬件；
Arm的工作模式切换有两种方法：
被动切换：在arm运行的时候产生一些异常或者中断来自动进行模式切换
主动切换：通过软件改变，即软件设置寄存器来经行arm的模式切换，应为arm的工作模式都是可以通过相应寄存器的赋值来切换的。
tips：当处理器运行在用户模式下，某些被保护的系统资源是不能被访问的。
除用户模式外，其余6种工作模式都属于特权模式；
特权模式中除了系统模式以外的其余5种模式称为异常模式；
大多数程序运行于用户模式；
进入特权模式是为了处理中断、异常、或者访问被保护的系统资源；
四、寄存器
ARM有31个通用的32位寄存器，6个程序状态寄存器，共分为7组，有些寄存器是所有工作模式共用的，还有一些寄存器专属于每一种工作模式；
R13——栈指针寄存器，用于保存堆栈指针；
R14——程序连接寄存器，当执行BL子程序调用指令时，R14中得到R15的备份，而当发生中断或异常时，R14保存R15的返回值；
R15——程序计数器；
快速中断模式有7个备份寄存器R8—R14，这使得进入快速中断模式执行很大部分程序时，甚至不需要保存任何寄存器；
其它特权模式都含有两个独立的寄存器副本R13、R14，这样可以令每个模式都拥有自己的堆栈指针和连接寄存器；
五、当前程序状态寄存器（CPSR）
CPSR中各位意义如下：
T位：1——CPU处于Thumb状态， 0——CPU处于ARM状态；
I、F（中断禁止位）： 1——禁止中断， 0——中断使能；
工作模式位：可以改变这些位，进行模式切换；
六、程序状态保存寄存器（SPSR）
当切换进入某一个特权模式时，SPSR保存前一个工作模式的CPSR值，这样，当返回前一个工作模式时，可以将SPSR的值恢复到CPSR中；
Linux用户态程序运行在FIQ，Linux内核运行在Supervisor模式
七、模式切换
当异常发生，CPU进入相应的异常模式时，以下工作是由CPU自动完成的：
1、在异常模式的R14中保存前一工作模式的下一条即将执行的指令地址；
2、将CPSR的值复制到异常模式的SPSR中；
3、将CPSR的工作模式设为该异常模式对应的工作模式；
4、令PC值等于这个异常模式在异常向量表中的地址，即跳转去执行异常向量表中的相应指令；
从异常工作模式退回到之前的工作模式时，需要由软件来完成以下工作：
1、将异常模式的R14减去一个适当的值（4或8）后赋给PC寄存器；
2、将异常模式SPSR的值赋给CPSR；
早期的ARM核有状态（ARM或Thumb）切换（通过BX等指令修改CPSR寄存器（当前程序状态寄存器，存放条件码标志，中断禁止位，当前处理器模式以及其他状态和控制信息）中T的控制位完成程序状态的切换），现在ARM都只使用Thumb状态了。所以，我们不在讨论状态切换相关。
一、ARM七种工作模式及其应用场合（Linux操作系统使用了其中USR和SVC模式、出现异常时还可能通过进入其他模式转为Linux内核态）
在CPSR寄存器中设置M[4:0]位，分别对应如下七种模式（注意：用户模式和系统模式只有对CPSR的读权限，因此、这两种模式下不可以通过直接设置CPSR进入其他模式（SWI汇编指令除外））：
1.用户模式（USR）:用于正常执行程序。在Linux操作系统中，用户空间进程就是在这种模式下运行。CPSR寄存器M[4:0]设置10000。
2.系统模式（SYS）：运行有特权的操作系统任务。CPSR寄存器M[4:0]设置11011。
这个模式和用户模式共用R15-pc（程序计数器，存放下一条指令所在单元的地址）的值，因此不用ARM强制赋值。
ARM进入以下几种模式后，都需要给R15-PC寄存器重新赋值、也就是开始执行新的指令。
3.管理模式（SVC）：操作系统使用的保护模式（高权限）。在Linux操作系统中，内核空间在这种模式下运行。CPSR寄存器M[4:0]设置10011。
当ARM刚上电或复位时、进入该模式，并强制PC从0x0000 0000处取指令；当系统软中断（如系统调用，调用ARM的SWI汇编指令）时、进入该模式，并强制PC从0x0000 0008处取指令——这也是ARM从用户模式主动切入管理模式（Linux从用户态主动进入内核态）的唯一方法。
当出现异常状况时，Linux还有可能在如下几种ARM模式下运行；如硬件中断、程序问题导致的异常等。
4.快速中断模式（FIQ）：用于高速数据传输。CPSR寄存器M[4:0]设置10001。
进入该模式后、ARM强制PC从0x0000 001C处取指令。
5.外部中断模式（IRQ）：用于通常的中断处理。CPSR寄存器M[4:0]设置10010。
进入该模式后、ARM强制PC从0x0000 0018处取指令。
6.数据访问终止模式（ABT）：当数据或指令预取终止时进入该模式，可用于虚拟内存及存储保护。CPSR寄存器M[4:0]设置10111。
当指令取终止时、进入该模式，并强制PC从0x0000 000C处取指令；当数据取终止时、进入该模式；并强制PC从0x0000 0010处取指令。
7.未定义指令终止模式（UND）：当未定义的指令执行时进入该模式，可用于支持硬件。CPSR寄存器M[4:0]设置11111。
当程序中出现未定义的指令时、进入该模式，并强制PC从0x0000 0004处取指令。
在非user模式下的其他6中模式，有SVC，FIQ，IRQ，ABT，UND，SYS 都可以修改CPSR寄存器、从而控制ARM工作模式的切换。
在Linux操作系统中；当CPU处于特权模式（Linux处于内核态）时，可以随意进入用户态。而当CPU处于用户模式（Linux处于用户态）时，Linux从用户态切换到内核态（ARM从用户模式切换到其他特权模式）只有在系统调用和中断（中断进入IRQ模式，也可以操作内核）两种情况下发生，一般程序一开始都是运行于用户态，当程序需要使用系统资源时，就必须通过调用软中断进入内核态。
每一种工作模式的R13-SP（堆栈指针寄存器，在堆栈操作中使用）都是独立的。因此，对程序中需要用到的每一种模式都要给SP定义一个堆栈地址。方法是改变状态寄存器（CPSR）内的状态位，使处理器切换到不同的状态，然后给SP赋值。注意：不要切换到User模式进行User模式的堆栈设置，因为进入User模式后就不能再操作CPSR回到别的模式了，可能会对接下去的程序执行造成影响。
ARM在刚上电或复位后、进入SVC管理模式，并从0x0000 0000开始取指令；bootloader和Linux Kernel都是工作在此模式。
八、ARM工作模式切换的两种方法
1.被动切换：是指ARM在当前工作模式下，没有要求模式切换、而被动地进入另外一种模式。在ARM运行的时候产生一些异常（包括软中断）或者中断（硬中断）来进行模式切换。如上边提到的Linux操作系统从用户态到内核态，如硬件中断或程序异常。内核态不会被动切换到用户态。
2.主动切换：是指ARM在当前工作模式下，通过一些自主操作、主动的要求切换工作模式。ARM通过软件改变，即软件设置寄存器来进行ARM的模式切换，因为ARM的工作模式都是可以通过相应寄存器的赋值来切换的。如上边提到的Linux操作系统从内核态到用户态；这里边有一个比较特殊的情况：Linux用户态可以通过系统调用主要要求切换到内核态。
九、linux操作系统与ARM工作模式
首先，arm开发板在刚上电或者复位后，都会首先进入SVC即管理模式，此时、程序计数器R15-PC会被自动赋值为0x0000 0000，bootloader就是在该模式下，位于0x0000 0000 的NOR FLASH或SRAM中装载的，因此，开机或重启后bootloader会被首先执行。
接着，bootloader引导linux内核，此时，linux内核仍然运行在SVC即管理模式下，当内核启动完毕后，进入用户态init进程时，内核将ARM的当前程序状态CPSR寄存器M[4:0]设置为10000，进而用户态程序只能运行在ARM的用户模式。
由于ARM用户模式下对资源的访问时受限制的，因此，用户态可以实现对linux操作系统内核保护的目的。
需要强调的是：Linux内核态是从ARM的SVC即管理模式下启动的，但在某些情况下、如：硬件中断、程序异常（被动）等情况下进入ARM的其他特权模式，这时仍然可以进入内核态（因为就是可以操作内核了）；同样，Linux用户态是从ARM用户模式启动的，但当进入ARM系统模式时、仍然可以操作Linux用户态程序（进入用户态，如init进程的启动过程）。
即：Linux内核从ARM的SVC模式下启动，但内核态不仅仅指ARM的SVC模式（还包括可以访问内核空间的所有ARM模式）；Linux用户程序从ARM的用户模式启动，但用户态不仅仅指ARM的用户模式。
发表于 2020-8-20 09:19:59
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