ARM基础(2):模式和特权等级(User/Thread mode和Privileged level)
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2024-03-21 03:26:03
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Cortex-M3处理器支持两种模式和两种特权级别。
如下图所示,当处理器运行于Thread mode时,它可以处于PrivilegedUser级别;而Handler mode下,只能处于Privileged级别。当处理器复位完毕后,处于Thread mode
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User级别(Thread mode)下,访问系统控制区域(配置寄存器和调试组件)是阻塞的,对特殊寄存器的访问(如使用MSR指令)也是不允许的(访问APSR寄存器除外),否则会产生一个错误异常。

处于Privileged级别时,软件可以通过CONTROL寄存器将程序切换到User级别。当产生一个异常时,处理器会切换到Privileged状态,而退出异常时,则会恢复进入异常之前的状态。

用户程序不能直接通过写CONTROL寄存器将状态切换为Privileged状态,而必须通过异常处理程序更改CONTROL寄存器,以便在返回到Thread mode时将处理器切换到Privileged级别,如下图所示:
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PrivilegedUser级别的存在可以让系统更加安全和更具鲁棒性。比如,当程序出错的时候,是修改不了NVIC的CONTROL寄存器的。另外,如果使能了MPU(内存保护单元),还可以阻止用户程序访问特权进程的内存区域。

在简单的应用中,不需要区分PrivilegedUser级别。在这种情况下,不需要使用User级别,也不需要更改CONTROL寄存器。我们可以将用户程序和内核的堆栈区分开来以避免可能的程序崩溃。比如,用户程序(Thread mode)使用PSP堆栈,而异常处理程序使用MSP堆栈。进入和退出异常处理程序时会自动切换这两个堆栈指针。
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处理器的访问级别由CONTROL寄存器来定义,当其bit0为0时(Privileged mode),处理器模式将在异常发生时进行切换。
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当bit0为1时(User mode),处理器模式和访问级别都会在异常发生时切换。
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CONTROL寄存器的bit0仅在Privileged level可编程。对于一个User level的程序来说,要切换到Privileged mode,它必须触发一个异常(如SVC异常),并在处理程序中修改CONTROL[0]


Cortex-M系列开始出现了上面这些概念,而在ARM7中没有这些模式,这里来做一个对比:

Modes and Exceptions in the ARM7Corresponding Modes and Exceptions in the Cortex-M3
Supervisor (default)Privileged, thread
Supervisor (software interrupt)Privileged, Supervisor Call (SVC)
FIQPrivileged, interrupt
Interrupt request (IRQ)Privileged, interrupt
Abort (prefetch)Privileged, bus fault exception
Abort (data)Privileged, bus fault exception
UndefinedPrivileged, usage fault exception
SystemPrivileged, thread
UserUser access (nonprivileged), thread

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