实验三 ARM 微处理器工作模式实验
一、实验目的
（1） 掌握学会使用MSR/MRS 指令实现ARM 处理器工作模式的切换
（2） 观察不同模式下的寄存器，加深对CPU 结构的理解。
二、实验设备
（1）硬件：嵌入式实验平台一套、仿真器一个、PC 机一台。
（2）软件：μVision IDE for ARM集成开发环境，Windows 98/2000/NT/XP。
三、实验内容
（1）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；
（2）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7种处理器模式:
(1) 用户模式USR: 正常程序执行模式;
(2) 快速中断模式FIQ：支持快速数据传送或通道处理；
(3) 外部中断模式IRQ：用于通用中断处理；
(4) 管理模式SVC:操作系统保护模式;
(5) 中止模式ABT: 实现虚拟存储器和/或存储器保护
(6)未定义模式UND:支持硬件协处理器的软件仿真
(7)系统模式SYS: 运行操作系统任务
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成为模式。它们可以自由地访问系统资源和改变模式。其中5 种称为异常模式，即：FIQ (Fast Interrupt Request)、IRQ (Interrupt Request)、管理 (Supervisor)、中止 (Abort)、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。其余模式是系统模式。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。它与用户模式有相同的寄存器，但它是模式，不受用户模式的。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
在所有处理模式下，都可以访问当前程序状态寄存器CPSR。CPSR包含条件码标志、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用于保存CPSR的状态。
CPSR 和SPSR 的格式如下：
（1） 条件码标志
N、Z、C、V：大多数指令可以检测这些条码标志，以决定程序指令如何执行。
（2） 控制位
最低8 位I、F、T 和M 位用作控制位。当异常出现时改变控制位。当处理器在模式下时也可以由软件改变。
中断禁止位：I 置1 则禁止IRQ 中断；F 置1 则禁止FIQ 中断。
T 位：T＝0 指示ARM 执行；T＝1 指示Thumb 执行。在这些体系结构的系统中，可自由地使用能在ARM 和Thumb 状态之间切换的指令。
模式位：M0、M1、M2、M3 和M4(M[4：0])是模式位。这些位决定处理器的工作模
（3） 其他位
程序状态寄存器的其他位保留，用作以后扩展。
五、实验操作步骤
1. 建立一个新的工程；
2. 为工程选择CPU
3. 不添加启动代码
4. 选择开发工具
5. 建立源文件
建立汇编源程序文件TEST4.S，编写实验程序；
6. 添加源文件到工程中
7. 工程配置
8. 生成目标代码
9. 调试监视个寄存器的值
10.单步运行程序，注意观察CPSR、SPSR 以及R0 寄存器值得变化。
说明：CPSR 寄存器显示分为两部分，一部分是各个标志位，另一部分是工作模式。标志位NZCVQ 为条件码标志N、Z、C、V、Q，显示为大写字母，表示该位为1；显示为小写字母，表示该位为0。Q 标志在ARM 体系结构v5 及以上版本的E 变量中才有效。标志位IFT 为IRQ 中断禁止位I、FIQ 中断禁止位F、ARM 微控制器状态位T，显示为大写字母，表示该位为1；显示为小写字母，表示该位为0。T 标志在ARM 体系结构v4 及以上版本的T 变量中才有效。
寄存器显示窗口
单步执行程序并观察和记录CPSP 和SPSR 缓存器值的变化；并观察在相应模式下执行程序后对应缓存器值的变化。
11. 结合实验内容和相关数据，观察程序执行，透过实验加深理解和掌握
六、 实验参考程序
ARM 微控制器工作模式实验的参考程序如下：
AREA Example4,CODE,READONLY
ENTRY ;程序入口标志
start
B Reset_Handler
Undefined_Handler
B Undefined_Handler
B SWI_Handler
Prefetch_Handler
B Prefetch_Handler
Abort_Handler
B Abort_Handler
NOP ;空操作
IRQ_Handler
B IRQ_Handler
FIQ_Handler
B FIQ_Handler
SWI_Handler
mov pc, lr
;前面部分是处理程序,主要处理各种模式的入端口跳移
Reset_Handler
;into System mode
MRS R0,CPSR ;复制CPSR 到R0
BIC R0,R0,#0x1F ;清除R0 的后5 位
ORR R0,R0,#0x1F ;设定R0 的最后5 位为11111
MSR CPSR_c,R0 ;把R0 装载到CPSR,切换到系统模式
MOV R0, #1 ;对系统模式下的R0 赋值,下面的R1~R15 一样
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 ;设定R0 的最后5 位为10001
MSR CPSR_c,R0 ;把R0 装载到CPSR,切换到Fiq 模式
MOV R8, #16 ;给Fiq 模式的特有缓存器R8 赋值, 下面的R9~R14 一样
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 ;设定R0 的最后5 位为10011
MSR CPSR_c,R0 ;把R0 装载到CPSR,切换到Svc 模式
MOV R13, #23 ;给SVC 模式的特有缓存器R13 赋值, 下面的R14 一样
MOV R14, #24
;into Abort mode
MRS R0,CPSR
BIC R0,R0,#0x1F
ORR R0,R0,#0x17 ;设定R0 的最后5 位为10111
MSR CPSR_c,R0 ;把R0 装载到CPSR,切换到Abort 模式
MOV R13, #25 ;给Abort 模式的特有缓存器R13 赋值, 下面的R14 一样
MOV R14, #26
;into IRQ mode
MRS R0,CPSR
BIC R0,R0,#0x1F
ORR R0,R0,#0x12 ;设定R0 的最后5 位为10010
MSR CPSR_c,R0 ;把R0 装载到CPSR,切换到IRQ 模式
MOV R13, #27 ;给IRQ 模式的特有缓存器R13 赋值, 下面的R14一样
MOV R14, #28
;into UNDEF mode
MRS R0,CPSR
BIC R0,R0,#0x1F
ORR R0,R0,#0x1b ;设定R0 的最后5 位为11011
MSR CPSR_c,R0 ;把R0 装载到CPSR,切换到UNDEF 模式
MOV R13, #29 ;给UNDEF 模式的特有缓存器R13 赋值, 下面的R14 一样
MOV R14, #30
B Reset_Handler ;跳移到最开始地方循环
END
七、思考题
１．本实验用到了那些寄存器，他们的作用是什么？
