本篇說(shuō)清楚CPU的工作模式
工作模式(Working mode) 也叫操作模式（Operating mode）又叫處理器模式（Processor mode），是 CPU 運(yùn)行的重要參數(shù)，決定著處理器的工作方式，比如如何裁決特權(quán)級(jí)別和報(bào)告異常等。
系列篇為方便理解，統(tǒng)一叫工作模式，CPU的工作模式.
正如一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目的后臺(tái)管理系統(tǒng)有權(quán)限管理一樣，CPU工作是否也有權(quán)限(模式)? 一個(gè)成熟的軟硬件架構(gòu)，肯定會(huì)有這些設(shè)計(jì)，只是大部分人不知道，也不需要知道，老百姓就干好老百姓的活就行了，有工作能吃飽飯就知足了，宮的事你管那么多干嘛，你也管不了.
應(yīng)用程序就只關(guān)注應(yīng)用功能，業(yè)務(wù)邏輯相關(guān)的部分就行了，底層實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)用層屏蔽的越干凈系統(tǒng)設(shè)計(jì)的就越優(yōu)良.
但鴻蒙內(nèi)核源碼分析系列篇的定位就是要把整個(gè)底層解剖，全部掰開(kāi)，看看宮里究竟發(fā)生了么事.從本篇開(kāi)始要接觸大量的匯編的代碼，將鴻蒙內(nèi)核的每段匯編代碼一一說(shuō)明白.如此才能知道最開(kāi)始的開(kāi)始發(fā)生了什么，最后的最后又發(fā)生了什么.
七種模式
先看一張圖，圖來(lái)源于 ARM720T.pdf第43頁(yè)，在ARM體系中，CPU很像有七個(gè)老婆的韋小寶，工作在以下七種模式中:
用戶模式（usr）：該模式是用戶程序的工作模式，它運(yùn)行在操作系統(tǒng)的用戶態(tài)，它沒(méi)有權(quán)限去操作其它硬件資源，只能執(zhí)行處理自己的數(shù)據(jù)，也不能切換到其它模式下，要想訪問(wèn)硬件資源或切換到其它模式只能通過(guò)軟中斷或產(chǎn)生異常。
快速中斷模式（fiq）：快速中斷模式是相對(duì)一般中斷模式而言的，用來(lái)處理高優(yōu)先級(jí)中斷的模式，處理對(duì)時(shí)間要求比較緊急的中斷請(qǐng)求，主要用于高速數(shù)據(jù)傳輸及通道處理中。
普通中斷模式（irq）：一般中斷模式也叫普通中斷模式，用于處理一般的中斷請(qǐng)求，通常在硬件產(chǎn)生中斷信號(hào)之后自動(dòng)進(jìn)入該模式，該模式可以自由訪問(wèn)系統(tǒng)硬件資源。
管理模式（svc）：操作系統(tǒng)保護(hù)模式，CPU上電復(fù)位和當(dāng)應(yīng)用程序執(zhí)行 SVC 指令調(diào)用系統(tǒng)服務(wù)時(shí)也會(huì)進(jìn)入此模式，操作系統(tǒng)內(nèi)核的普通代碼通常工作在這個(gè)模式下。
終止模式（abt）：當(dāng)數(shù)據(jù)或指令預(yù)取終止時(shí)進(jìn)入該模式，中止模式用于支持虛擬內(nèi)存或存儲(chǔ)器保護(hù)，當(dāng)用戶程序訪問(wèn)非法地址，沒(méi)有權(quán)限讀取的內(nèi)存地址時(shí)，會(huì)進(jìn)入該模式，
系統(tǒng)模式（sys）：供操作系統(tǒng)使用的高特權(quán)用戶模式，與用戶模式類似，但具有可以直接切換到其他模式等特權(quán)，用戶模式與系統(tǒng)模式兩者使用相同的寄存器，都沒(méi)有SPSR（Saved Program Statement Register，已保存程序狀態(tài)寄存器），但系統(tǒng)模式比用戶模式有更高的權(quán)限，可以訪問(wèn)所有系統(tǒng)資源。
未定義模式（und）：未定義模式用于支持硬件協(xié)處理器的軟件仿真，CPU在指令的譯碼階段不能識(shí)別該指令操作時(shí)，會(huì)進(jìn)入未定義模式。
除用戶模式外，其余6種工作模式都屬于特權(quán)模式
- 特權(quán)模式中除了系統(tǒng)模式以外的其余5種模式稱為異常模式
- 大多數(shù)程序運(yùn)行于用戶模式
- 進(jìn)入特權(quán)模式是為了處理中斷、異常、或者訪問(wèn)被保護(hù)的系統(tǒng)資源
- 硬件權(quán)限級(jí)別：系統(tǒng)模式 > 異常模式 > 用戶模式
- 快中斷(fiq)與慢中斷(irq)區(qū)別：快中斷處理時(shí)禁止中斷
每種模式都有自己獨(dú)立的入口和獨(dú)立的運(yùn)行棧空間. 系列篇之CPU篇 已介紹過(guò)只要提供了入口函數(shù)和運(yùn)行空間，CPU就可以干活了.入口函數(shù)解決了指令來(lái)源問(wèn)題，運(yùn)行空間解決了指令的運(yùn)行場(chǎng)地問(wèn)題.
而且在多核情況下，每個(gè)CPU核的每種特權(quán)模式都有自己獨(dú)立的棧空間.注意是特權(quán)模式下的棧空間，用戶模式的棧空間是由用戶(應(yīng)用)程序提供的.
如何讓這七種模式能流暢的跑起來(lái)呢? 至少需要以下解決三個(gè)基本問(wèn)題.
- 棧空間是怎么申請(qǐng)的?申請(qǐng)了多大?
- 被切換中的模式代碼放在哪里?誰(shuí)來(lái)安排它們放在哪里?
- 模式之間是怎么切換的?狀態(tài)怎么保存?
這個(gè)匯編文件大概 500多行，非常重要，本篇受限于篇幅只列出一小部分，說(shuō)清楚以上三個(gè)問(wèn)題.系列其余篇中將詳細(xì)說(shuō)明每段匯編代碼的作用和實(shí)現(xiàn)，可前往查閱.
1.異常模式棧空間怎么申請(qǐng)?
鴻蒙是如何給異常模式申請(qǐng)棧空間的
#define CORE_NUM LOSCFG_KERNEL_SMP_CORE_NUM //CPU 核數(shù)
#ifdef LOSCFG_GDB
#define OS_EXC_UNDEF_STACK_SIZE 512
#define OS_EXC_ABT_STACK_SIZE 512
#else
#define OS_EXC_UNDEF_STACK_SIZE 40
#define OS_EXC_ABT_STACK_SIZE 40
#endif
#define OS_EXC_FIQ_STACK_SIZE 64
#define OS_EXC_IRQ_STACK_SIZE 64
#define OS_EXC_SVC_STACK_SIZE 0x2000 //8K
#define OS_EXC_STACK_SIZE 0x1000 //4K
@六種特權(quán)模式申請(qǐng)對(duì)應(yīng)的棧運(yùn)行空間
__undef_stack:
.space OS_EXC_UNDEF_STACK_SIZE * CORE_NUM
__undef_stack_top:
__abt_stack:
.space OS_EXC_ABT_STACK_SIZE * CORE_NUM
__abt_stack_top:
__irq_stack:
.space OS_EXC_IRQ_STACK_SIZE * CORE_NUM
__irq_stack_top:
__fiq_stack:
.space OS_EXC_FIQ_STACK_SIZE * CORE_NUM
__fiq_stack_top:
__svc_stack:
.space OS_EXC_SVC_STACK_SIZE * CORE_NUM
__svc_stack_top:
__exc_stack:
.space OS_EXC_STACK_SIZE * CORE_NUM
__exc_stack_top:
代碼解讀
- 六種異常模式都有自己獨(dú)立的棧空間
- 每種模式的
OS_EXC_***_STACK_SIZE棧大小都不一樣，最大是管理模式（svc）8K，最小的只有40個(gè)字節(jié). svc模式為什么要這么大呢?
因?yàn)殚_(kāi)機(jī)代碼和系統(tǒng)調(diào)用代碼的運(yùn)行都在管理模式，系統(tǒng)調(diào)用的函數(shù)實(shí)現(xiàn)往往較復(fù)雜，最大不能超過(guò)8K.
例如:某個(gè)系統(tǒng)調(diào)用中定義一個(gè)8K的局部變量，內(nèi)核肯定立馬閃蹦.因?yàn)闂⒁绯觯幚懋惓５某绦虺霈F(xiàn)了異常，后面就再也沒(méi)人兜底了，只能是死局. - 鴻蒙是支持多核處理的，
CORE_NUM表明，每個(gè)CPU核的每種異常模式都有自己的獨(dú)立棧空間.注意理解這個(gè)是理解內(nèi)核代碼的基礎(chǔ).否則會(huì)一頭霧水.
2.異常模式入口地址在哪?
再看一張圖，圖來(lái)源于 ARM720T.pdf 第56頁(yè)
這就是一切一切的開(kāi)始，指定所有異常模式的入口地址表，這就是規(guī)定，沒(méi)得商量的.在低地址情況下.開(kāi)機(jī)代碼就是放在 0x00000000的位置， 觸發(fā)開(kāi)機(jī)鍵后，硬件將PC寄存器置為0x00000000，開(kāi)始了萬(wàn)里長(zhǎng)征的第一步.在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中就這么來(lái)回跳.
b reset_vector @開(kāi)機(jī)代碼
b _osExceptUndefInstrHdl @異常處理之CPU碰到不認(rèn)識(shí)的指令
b _osExceptSwiHdl @異常處理之:軟中斷
b _osExceptPrefetchAbortHdl @異常處理之:取指異常
b _osExceptDataAbortHdl @異常處理之:數(shù)據(jù)異常
b _osExceptAddrAbortHdl @異常處理之:地址異常
b OsIrqHandler @異常處理之:硬中斷
b _osExceptFiqHdl @異常處理之:快中斷
以上是各個(gè)異常情況下的入口地址，在reset_vector_mp.S中都能找到，經(jīng)過(guò)編譯鏈接后就會(huì)變成
b 0x00000000 @開(kāi)機(jī)代碼
b 0x00000004 @異常處理之CPU碰到不認(rèn)識(shí)的指令
b 0x00000008 @異常處理之:軟中斷
b 0x0000000C @異常處理之:取指異常
b 0x00000010 @異常處理之:數(shù)據(jù)異常
b 0x00000014 @異常處理之:地址異常
b 0x00000018 @異常處理之:硬中斷
b 0x0000001C @異常處理之:快中斷
不管是主動(dòng)切換的異常，還是被動(dòng)切換的異常，都會(huì)先跳到對(duì)應(yīng)的入口去處理.每個(gè)異常的代碼都起始于匯編，處理完了再切回去.舉個(gè)例子:
某個(gè)應(yīng)用程序調(diào)用了系統(tǒng)調(diào)用(比如創(chuàng)建定時(shí)器)，會(huì)經(jīng)過(guò)以下大致過(guò)程:
- swi指令將用戶模式切換到管理模式（svc）
- 在管理模式中先保存用戶模式的現(xiàn)場(chǎng)信息(R0-R15寄存器值入棧)
- 獲取系統(tǒng)調(diào)用號(hào)，知道是調(diào)用了哪個(gè)系統(tǒng)調(diào)用
- 查詢系統(tǒng)調(diào)用對(duì)應(yīng)的注冊(cè)函數(shù)
- 執(zhí)行真正的創(chuàng)建定時(shí)器函數(shù)
- 執(zhí)行完成后，恢復(fù)用戶模式的現(xiàn)場(chǎng)信息(R0-R15寄存器值出棧)
- 跳回用戶模式繼續(xù)執(zhí)行
各異常處理代碼很多，不一一列出，本篇只列出開(kāi)機(jī)代碼，請(qǐng)嘗試讀懂鴻蒙內(nèi)核開(kāi)機(jī)代碼，后續(xù)講詳細(xì)說(shuō)明每行代碼的用處.
開(kāi)機(jī)代碼
reset_vector: //開(kāi)機(jī)代碼
/* clear register TPIDRPRW */
mov r0， #0 @r0 = 0
mcr p15， 0， r0， c13， c0， 4 @c0，c13 = 0， C13為進(jìn)程標(biāo)識(shí)符 含義見(jiàn) ARM720T.PDF 第64頁(yè)
/* do some early cpu setup: i/d cache disable， mmu disabled */ @禁用MMU， i/d緩存
mrc p15， 0， r0， c1， c0， 0 @r0 = c1 ，c1寄存器詳細(xì)解釋見(jiàn)第64頁(yè)
bic r0， #(1<<12) @位清除指令，清除r0的第11位
bic r0， #(1<<2 | 1<<0) @清除第0和2位 ，禁止 MMU和緩存 0位:MMU enable/disable 2位:Cache enable/disable
mcr p15， 0， r0， c1， c0， 0 @c1=r0
/* r11: delta of physical address and virtual address */@物理地址和虛擬地址的增量
adr r11， pa_va_offset @將基于PC相對(duì)偏移的地址pa_va_offset值讀取到寄存器R11中
ldr r0， [r11] @將R11的值給r0
sub r11， r11， r0 @r11 = r11 - r0
mrc p15， 0， r12， c0， c0， 5 /* r12: get cpuid */ @獲取CPUID
and r12， r12， #MPIDR_CPUID_MASK @r12經(jīng)過(guò)掩碼過(guò)濾
cmp r12， #0 @當(dāng)前是否為0號(hào)CPU
bne secondary_cpu_init @不是0號(hào)主CPU則調(diào)用secondary_cpu_init
/* if we need to relocate to proper location or not */
adr r4， __exception_handlers /* r4: base of load address */ @r4獲得加載基地址
ldr r5， =SYS_MEM_BASE /* r5: base of physical address */@r5獲得物理基地址
subs r12， r4， r5 /* r12: delta of load address and physical address */ @r12=r4-r5 加載地址和物理地址的增量
beq reloc_img_to_bottom_done /* if we load image at the bottom of physical address */
/* we need to relocate image at the bottom of physical address */
ldr r7， =__exception_handlers /* r7: base of linked address (or vm address) */
ldr r6， =__bss_start /* r6: end of linked address (or vm address) */
sub r6， r7 /* r6: delta of linked address (or vm address) */
add r6， r4 /* r6: end of load address */
異常的優(yōu)先級(jí)
當(dāng)同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)異常時(shí)，該響應(yīng)哪一個(gè)呢?這涉及到了異常的優(yōu)先級(jí)，順序如下
- 1.Reset (highest priority).
- 2.Data Abort.
- 3.FIQ.
- 4.IRQ.
- 5.Prefetch Abort.
- 6.Undefined Instruction， SWI (lowest priority).
可以看出swi的優(yōu)先級(jí)最低，swi就是軟中斷，系統(tǒng)調(diào)用就是通過(guò)它來(lái)實(shí)現(xiàn)的.
3.異常模式怎么切換?
寫(xiě)應(yīng)用程序經(jīng)常會(huì)用到狀態(tài)，來(lái)記錄各種分支邏輯，傳遞參數(shù).這么多異常模式，相互切換，中間肯定會(huì)有很多的狀態(tài)需要保存.比如:如何能知道當(dāng)前運(yùn)行在哪種模式下?怎么查?去哪里查呢?
答案是: CPSR(一個(gè)) 和 SPSR(5個(gè))
這些寄存器：
- 保存有關(guān)最近執(zhí)行的ALU操作的信息
- 控制中斷的啟用和禁用
- 設(shè)置處理器操作模式
CPSR 寄存器
CPSR(current program status register)當(dāng)前程序的狀態(tài)寄存器
CPSR有4個(gè)8位區(qū)域：標(biāo)志域（F）、狀態(tài)域（S）、擴(kuò)展域（X）、控制域（C）
32 位的程序狀態(tài)寄存器可分為4 個(gè)域：
- 位[31：24]為條件標(biāo)志位域，用f 表示；
- 位[23：16]為狀態(tài)位域，用s 表示；
- 位[15：8]為擴(kuò)展位域，用x 表示；
- 位[7：0]為控制位域，用c 表示；
CPSR和其他寄存器不一樣，其他寄存器是用來(lái)存放數(shù)據(jù)的，都是整個(gè)寄存器具有一個(gè)含義.
而CPSR寄存器是按位起作用的，也就是說(shuō)，它的每一位都有專門(mén)的含義，記錄特定的信息.
CPSR的低8位（包括I、F、T和M[4：0]）稱為控制位，程序無(wú)法修改，
除非CPU運(yùn)行于特權(quán)模式下，程序才能修改控制位
N、Z、C、V均為條件碼標(biāo)志位。它們的內(nèi)容可被算術(shù)或邏輯運(yùn)算的結(jié)果所改變，
并且可以決定某條指令是否被執(zhí)行!意義重大!
- CPSR的第31位是 N，符號(hào)標(biāo)志位。它記錄相關(guān)指令執(zhí)行后，其結(jié)果是否為負(fù).
如果為負(fù) N = 1，如果是非負(fù)數(shù) N = 0. - CPSR的第30位是Z，0標(biāo)志位。它記錄相關(guān)指令執(zhí)行后，其結(jié)果是否為0.
如果結(jié)果為0.那么Z = 1.如果結(jié)果不為0，那么Z = 0. - CPSR的第29位是C，進(jìn)位標(biāo)志位(Carry)。一般情況下，進(jìn)行無(wú)符號(hào)數(shù)的運(yùn)算。
加法運(yùn)算：當(dāng)運(yùn)算結(jié)果產(chǎn)生了進(jìn)位時(shí)（無(wú)符號(hào)數(shù)溢出），C=1，否則C=0。
減法運(yùn)算（包括CMP）：當(dāng)運(yùn)算時(shí)產(chǎn)生了借位時(shí)（無(wú)符號(hào)數(shù)溢出），C=0，否則C=1。 - CPSR的第28位是V，溢出標(biāo)志位(Overflow)。在進(jìn)行有符號(hào)數(shù)運(yùn)算的時(shí)候，
如果超過(guò)了機(jī)器所能標(biāo)識(shí)的范圍，稱為溢出。
MSR{條件} 程序狀態(tài)寄存器(CPSR 或SPSR)_<域>，操作數(shù)
MSR 指令用于將操作數(shù)的內(nèi)容傳送到程序狀態(tài)寄存器的特定域中
示例如下：
MSR CPSR，R0 @傳送R0 的內(nèi)容到CPSR
MSR SPSR，R0 @傳送R0 的內(nèi)容到SPSR
MSR CPSR_c，R0 @傳送R0 的內(nèi)容到CPSR，但僅僅修改CPSR中的控制位域
MRS{條件} 通用寄存器，程序狀態(tài)寄存器(CPSR 或SPSR)
MRS 指令用于將程序狀態(tài)寄存器的內(nèi)容傳送到通用寄存器中。該指令一般用在以下兩種情況：
- 當(dāng)需要改變程序狀態(tài)寄存器的內(nèi)容時(shí)，可用MRS 將程序狀態(tài)寄存器的內(nèi)容讀入通用寄存器，修改后再寫(xiě)回程序狀態(tài)寄存器。
- 當(dāng)在異常處理或進(jìn)程切換時(shí)，需要保存程序狀態(tài)寄存器的值，可先用該指令讀出程序狀態(tài)寄存器的值，然后保存。
示例如下：
MRS R0，CPSR @傳送CPSR 的內(nèi)容到R0
MRS R0，SPSR @傳送SPSR 的內(nèi)容到R0
@MRS指令是唯一可以直接讀取CPSR和SPSR寄存器的指令
SPSR 寄存器
SPSR（saved program status register）程序狀態(tài)保存寄存器.五種異常模式下一個(gè)狀態(tài)寄存器SPSR，用于保存CPSR的狀態(tài)，以便異常返回后恢復(fù)異常發(fā)生時(shí)的工作狀態(tài)。
- 1、SPSR 為 CPSR 中斷時(shí)刻的副本，退出中斷后，將SPSR中數(shù)據(jù)恢復(fù)到CPSR中。
- 2、用戶模式和系統(tǒng)模式下SPSR不可用，所以SPSR寄存器只有5個(gè)
寫(xiě)在最后
- 如果你覺(jué)得這篇內(nèi)容對(duì)你還蠻有幫助，我想邀請(qǐng)你幫我三個(gè)小忙：
- 點(diǎn)贊，轉(zhuǎn)發(fā)，有你們的 『點(diǎn)贊和評(píng)論』，才是我創(chuàng)造的動(dòng)力。
- 關(guān)注小編，同時(shí)可以期待后續(xù)文章ing??，不定期分享原創(chuàng)知識(shí)。
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