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）