嵌入式系统原理与应用 第3版 实验指导书 实验八 ARM处理器工作模式与堆栈指针实验

实验八ARM处理器工作模式与堆栈指针设置实验1实验目的(1)通过实验掌握学会使用MSR和MRS指令实现ARM工作模式的切换，观察不同模式下的寄存器，尤其是状态寄存器，加深对CPU的理解；(2)掌握ARM堆栈指针SP的设置方法和意义，在设置好的堆栈中压入适当的数据，并使用寄存器窗口、存储器窗口观察。2实验内容(1)主要内容ARM9处理器支持7中工作运行模式（如表1）表1.ARM9运行模式处理器模式处理器模式描述CPSR寄存器的M[4:0]的值用户模式usrARM处理器正常程序执行模式0b10000快速中断模式fiq用于高速数据传输或通道处理0b10001外部中断模式irq用于通用的中断处理0b10010管理模式svc操作系统使用的保护模式0b10011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，可用于虚拟存储及存储保护0b10111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0b11011系统模式sys运行具有特权的操作系统任务0b11111特权模式：又称非用户模式。是指除用户模式以外的6种模式。在这些模式下程序可以访问所有的系统资源，也可以任意地进行处理器模式切换。用户模式下是不允许模式切换的。异常模式：是指除用户模式和系统模式以外地5种模式，常用于处理中断。异常模式有：FIQ(FastInterruptReQuest)IRQ(InterruptReQuest)管理svc(Supervisor)中止abt(Abort)未定义und(Undefined)在特定地异常出现时，进入相应的模式。某种模式都有附加的寄存器，以避免出现异常时用户模式的状态不可靠。在软件的控制下可以改变模式，外部中断和异常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处理器资源，也不能改变模式，除非异常(Exception)发生。这允许适当编写操作系统来控制系统资源的使用。ARM9体系结构的异常类型和异常处理模式（如表2）表2异常类型进入模式地址（异常向量）优先级复位管理模式0x000000001(最高)未定义指令未定义模式0x000000046(最低)软件中断管理模式0x000000086(最低)指令预取中止中止模式0x0000000C5数据中止中止模式0x000000102外部中断请求外部中断请求模式0x000000184快速中断请求快速中断请求模式0x0000001C3②状态寄存器CPSR/SPSR以及对其进行的访问状态寄存器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它状态和控制信息。每种异常都有一个程序状态保存寄存器SPSR，当异常出现时SPSR用于保存CPSR的状态值。CPSR和SPSR的格式如下：NZCVQ预留IFTM4M3M2M1M0状态位：位31－28依次为N、Z、C、V分别表示符号位Negative、零位Zero、进位位Carry和溢出位Overflow。控制位：中断控制位I(b7)、快速中断控制位F(b6)和ARM/Thumb控制位。M4、M3、M2、M1、M0（M[4:0]）是模式控制位，反映和决定ARM处理器的工作模式。对CPSR寄存器的访问程序状态寄存器到通用寄存器传送指令格式MRS{条件码}Op1,CPSR/SPSR;Op1←CPSR/SPSR说明：Op1是通用寄存器；CPSR是当前程序状态寄存器。通用寄存器到程序状态寄存器传送指令格式MSR{条件码}CPSR/SPSR,Op2_Domain,;CPSR/SPSR←Op2说明：Op2是通用寄存器；CPSR是当前程序状态寄存器。域Domain用于设置CPSP/SPSR中需要操作的位，32位的程序状态寄存器被分为4个域：最高8位，即b31-b24为条件标志位域，用f表示。在指令中的形式为CPSR_f。次高8位，即b23～b16为状态位域，用s表示。目前备用。次低8位，即b18～b8为扩展域，用x表示。目前备用。最低8位，即b7～b0为控制位域，用c表示。在指令中的形式为CPSR_c。(2)主要完成的工作①编写一个汇编程序，程序的入口地址为0x00000000,即进入到系统的启动入口Reset,此时系统进入到管理模式，这时就可以进行模式的切换，设置各模式下的SP指针，并写入数据在相应的模式状态下观察SP指针值和相应的存储单元内容；或通过访问ARM9中不存在的地址程序，使程序发生取址中断异常，进入此模式后，改变其专有的R13、R14的值，并进行观察。之后可以改变M[4:0]的取值而进入相应的模式，对其专有的寄存器赋值并观察，最后回到用户模式。②编写各堆栈区初始化汇编程序。利用汇编伪指令EQU定义模式字、所有栈顶的基址，然后根据各个栈区的大小连续向下设置各个栈的SP指针。3预备知识（1）ARM9的工作模式、特权模式、异常模式以及模式之间的转换；（2）ARM9的堆栈及堆栈指针寄存器。4实验设备硬件：PC机一台。软件：Windows98/XP/2000系统，ADS1.2集成开发环境。5实验步骤（1）启动ADS1.2，使用ARMExecutableImage工程模板建立一个工程exp8.mcp。（2）建立汇编源文件Exp8_arm.s，主要使用MRS/MSR等指令编写汇编程序，然后添加到工程中。（3）设置工程连接地址ROBase为0x00000000，RWBase为0x30003000，设置调试口地址Imageentrypoint为0x00000000。（4）编译连接工程，选择Project|Debug，启动AXD进行软件仿真调试。（5）打开寄存器窗口（ProcessorRegisters），选择Current项