本篇說清楚CPU的工作模式

讀本篇之前建議先讀鴻蒙內(nèi)核源碼分析(總目錄)其他篇.

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,看看宮里究竟發(fā)生了么事.從本篇開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明白.如此才能知道最開始的開始發(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,圖來源于ARM720T.pdf第43頁,在ARM體系中,CPU工作在以下七種模式中:

用戶模式（usr）：屬于正常的用戶模式，ARM處理器正常的程序執(zhí)行狀態(tài)。快速中斷模式（fiq）：用于處理快速中斷，對(duì)高速數(shù)據(jù)傳輸或通道處理外部中斷模式（irq）：對(duì)一般情況下的中斷進(jìn)行處理。管理模式（svc）：屬于操作系統(tǒng)使用的保護(hù)模式，處理軟件中斷swi reset。數(shù)據(jù)訪問終止模式（abt）：當(dāng)數(shù)據(jù)或指令預(yù)取終止時(shí)進(jìn)入該模式，可用于處理存儲(chǔ)器故障、實(shí)現(xiàn)虛擬存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器保護(hù)。系統(tǒng)模式（sys）：運(yùn)行具有特權(quán)的操作系統(tǒng)任務(wù)。未定義指令中止模式（und）：處理未定義的指令陷阱，當(dāng)未定義的指令執(zhí)行時(shí)進(jìn)入該模式，可用于支持硬件協(xié)處理器的軟件仿真。除了用戶模式外，其它六種均為特權(quán)模式或者叫異常模式。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)解決了指令來源問題,運(yùn)行空間解決了指令的運(yùn)行問題. 而且在多核情況下,每個(gè)CPU核的每種異常模式都有自己獨(dú)立的?？臻g.注意是異常模式下的棧空間,用戶模式的?？臻g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呢? 至少需要以下解決三個(gè)基本問題.

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?誰來安排它們放在哪里?模式之間是怎么切換的?狀態(tài)怎么保存?本篇代碼來源于鴻蒙內(nèi)核源碼之reset_vector_mp.S,點(diǎn)擊查看 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,說清楚以上三個(gè)問題.系列其余篇中將詳細(xì)說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?？臻g怎么申請(qǐng)?

鴻蒙是如何給異常模式申請(qǐng)?？臻g的

代碼解讀

六種異常模式都有自己獨(dú)立的?？臻g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_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?處理異常的程序出現(xiàn)了異常,后面就再也沒人兜底了,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,圖來源于ARM720T.pdf第56頁

這就是一切一切的開始,指定所有異常模式的入口地址表,這就是規(guī)定,沒得商量的.在低地址情況下.開機(jī)代碼就是放在0x00000000的位置,觸發(fā)開機(jī)鍵后,硬件將PC寄存器置為0x00000000,開始了萬里長征的第一步.在系統(tǒng)運(yùn)行過程中就這么來回跳.

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)過編譯鏈接后就會(huì)變成

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)過以下大致過程:

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,本篇只列出開機(jī)代碼,請(qǐng)嘗試讀懂鴻蒙內(nèi)核開機(jī)代碼,后續(xù)講詳細(xì)說明每行代碼的用處.

開機(jī)代碼

異常的權(quán)限

當(dāng)同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)異常時(shí)，該響應(yīng)哪一個(gè)呢?就涉及到了異常的權(quán)限,如下

Reset (highest priority).Data Abort.FIQ.IRQ.Prefetch Abort.Undefined Instruction, SWI (lowest priority).可以看出swi的權(quán)限最低,swi就是軟件中斷,系統(tǒng)調(diào)用就是通過它來實(shí)現(xiàn)的.

3.異常模式怎么切換?

寫應(yīng)用程序經(jīng)常會(huì)用到狀態(tài),來記錄各種分支邏輯,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 和 SPSR CPSR:程序狀態(tài)寄存器(current program status register) (當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器)，在任何處理器模式下被訪問。 SPSR:程序狀態(tài)保存寄存器（saved program status register）,每一種處理器模式下都有一個(gè)狀態(tài)寄存器SPSR,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)。當(dāng)特定 的異常中斷發(fā)生時(shí)，這個(gè)寄存器用于存放當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器的內(nèi)容。在異常中斷退出時(shí)，可以用SPSR來恢復(fù)CPSR。

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

編輯：hfy