[ARM][架构] 01.ARMv7 特权等级与核心寄存器

[1.ARMv7 特权等级](#1.ARMv7 特权等级)

[2.ARMv8 异常等级](#2.ARMv8 异常等级)

[3.ARMv7 通用寄存器](#3.ARMv7 通用寄存器)

手册章节

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// 手册对应章节 
// D1.2 Registers for instruction processing and exception handling 
// E1.2.3 The general-purpose registers, and the PC, in AArch32 state

1.ARMv7 特权等级

处理器为了安全区分系统模式和用户模式，这两种模式也称特权等级 Privilege Level，PL

其中系统模式对应 PL1，用户模式对应 PL0

ARMv7支持安全扩展和虚拟化扩展，处理器实现了安全扩展后，会区分出 Normal World 和 Secure World，这样可以将敏感资源和普通资源隔离，从而提升系统安全性，如下图所示：

处理器实现了虚拟化扩展后，会新增 Hypervisor Mode (Hyp)，同时新增 PL2 特权模式，这样程序可以根据自身需求运行在对应的模式下：

虚拟化扩展允许在 Normal World 运行多个操作系统；
Hypervisor 只能运行在 Normal World；
Trusted OS 和 Trusted Services 运行在 Secure World；

ARMv7 提供了 9 种 CPU 模式，如下图所示：

各模式的描述如下：

User：用户模式，用户程序运行在 User 模式，访问系统资源受限；
FIQ：快速中断/异常处理模式，发生 FIQ 中断时处理器的模式，相较于普通中断，快速中断拥有更高的响应等级和更低的延迟；
IRQ：中断/异常处理模式，发生 IRQ 中断时处理器的模式；
Supervisor（SVC）：管理员模式，操作系统通常运行在该模式下，处理器复位或应用程序调用 SVC 指令时会进入该模式，系统调用就是通过 SVC 指令完成的；
Abort（ABT）：异常终止模式，发生 Data Abort Exception 或 Prefetch Abort Exception 时进入该模式；
Undefined（UND）：未定义指令模式，执行未定义指令时进入该模式；
System（SYS）：系统模式，系统模式和用户模式共享寄存器视图，目前大多数系统未使用该模式，利用该特性可以在处理器启动时，通过设置系统模式的 SP 寄存器达到设置用户模式堆栈的目的，用户模式的其他寄存器也可以这样操作；
Monitor（MON）：监视器模式，实现了安全扩展的处理器才有该模式，该模式下执行处理器 Secure 和 Non-Secure 状态的切换；
Hyp：实现了虚拟化扩展的处理器才有该模式；

处理器模式、特权等级和安全状态的关系如下图所示：

非安全状态下有3种特权等级 PL0 ~ PL2，其描述如下所示：

PL0：用户模式 User Mode 中运行的应用程序处于 PL0 特权等级，运行在该模式下的程序称为非特权程序，非特权程序对于系统资源的访问受限，对应于 Linux 的用户态
PL1：除用户模式和 Hyp 模式，其他模式下运行的程序均为 PL1 特权等级，操作系统运行在 PL1 特权等级
PL2：实现了虚拟化扩展后，Hyp 模式运行的系统管理程序处于 PL2 特权等级，系统管理程序控制多个操作系统在同一处理器上的共存和执行

2.ARMv8 异常等级

ARM 平台将中断和异常统称为异常（Exception），区别于 ARMv7 架构中使用的特权等级，ARMv8 架构中定义了四个异常等级（Exception Level，EL），如下图所示：

EL0：非特权模式，应用程序
EL1：特权模式，内核
EL2：虚拟化监控程序，如 Hypervisor
EL3：安全模式，如 Secure Monitor

程序运行在四个异常等级中的一个，可以认为 ELn 对应着 PLn，各种软件（如应用程序、系统内核）一般只在某一个异常等级下运行，但虚拟机管理程序（如 KVM、VMWare）可以跨 EL1 和 EL2 工作（进入 EL2 管理虚拟机）

ARMv8 架构定义了 AArch32 和 AArch64 两种执行状态，AArch64 使用 64-bit 通用寄存器，AArch32 使用 32-bit 通用寄存器，ARMv8 中 AArch32 保留了 ARMv7 的特权等级，而在 AArch64 中特权等级被描述为异常等级（因此可以认为 ELn 对应 PLn）

异常等级的切换需要遵守以下规则：

切换至更高的异常等级（例如从 EL0 到 EL1）表明增加了软件的执行权限；
异常不能切换到更低的等级；
EL0 没有异常处理，异常只有在更高的异常等级（大于 EL0）中才会被处理；
异常会改变程序的正常执行流程，异常处理程序（Exception Handler）在大于 EL0 的异常等级下开始执行；
程序从异常返回可以保持相同的异常等级，或者变成较低的异常等级，但异常等级不能变大；
除非从 EL3 返回到非安全模式，否则安全模式不会随着异常等级的更改而更改；

3.ARMv7 通用寄存器

ARMv7 AArch32 架构的用户模式中，提供了 16 个 32 位的通用寄存器（R0~R15）供软件使用：

R0~R14 可以用作通用的数据存储；
- 进行函数调用时，默认会将 R0~R3 用于传递前 4 个参数；
- R8~R12 常用于存放局部变量和中间结果；
R15 是程序计数器 PC，用来保存将要执行的指令；
R13 一般作为栈指针 SP；
R14 一般作为链接寄存器 LR，用于保存返回地址；

ARM 还提供了一个当前程序状态寄存器 CPSR 和一个备份程序状态寄存器 SPSR，这两个寄存器用于 PE 状态控制

ARMv7 有 9 种运行状态，每种状态均有其对应的通用寄存器组，如下图所示：

图中浅色字体的是与 User 模式共有的寄存器，蓝绿色背景的是各个模式所独有的寄存器，其中，不同模式一般有独立的栈指针寄存器 SP、链接寄存器 LR、R8~R12，R0~R7 为所有模式共享的数据寄存器