Cortex M3基礎(chǔ)

1、Cortex M3基礎(chǔ) 寄存器組 特殊功能寄存器組 操作模式 異常和中斷 向量表 存儲(chǔ)器保護(hù)單元 堆棧區(qū)的操作 復(fù)位序列提綱寄存器組CM3 擁有通用寄存器R0 R15 以及一些特殊功能寄存器。R0 R12 是最“通用目的”的，但是絕大多數(shù)的16 位指令只能使用R0 R7（低組寄存器），而32 位的Thumb 2指令則可以訪問(wèn)所有通用寄存器。特殊功能寄存器有預(yù)定義的功能，而且必須通過(guò)專用的指令來(lái)訪問(wèn)。1. 通用目的寄存器R0-R7R0 R7 也被稱為低組寄存器。所有指令都能訪問(wèn)它們。它們的字長(zhǎng)全是32 位，復(fù)位后的初始值是不可預(yù)料的。2. 通用目的寄存器R8-R12R8 R12 也被稱為高組寄存

2、器。這是因?yàn)橹挥泻苌俚?6 位Thumb 指令能訪問(wèn)它們，32位的指令則不受限制。它們也是32 位字長(zhǎng)，且復(fù)位后的初始值是不可預(yù)料的。3. 堆棧指針R13 R13 是堆棧指針。在CM3 處理器內(nèi)核中共有兩個(gè)堆棧指針，于是也就支持兩個(gè)堆棧。當(dāng)引用R13（或?qū)懽鱏P）時(shí)，你引用到的是當(dāng)前正在使用的那一個(gè)，另一個(gè)必須用特殊的指令來(lái)訪問(wèn)（MRS,MSR 指令）。這兩個(gè)堆棧指針?lè)謩e是： 主堆棧指針（MSP），或?qū)懽鱏P_main。這是缺省的堆棧指針，它由OS 內(nèi)核、異常服務(wù)例程以及所有需要特權(quán)訪問(wèn)的應(yīng)用程序代碼來(lái)使用。 進(jìn)程堆棧指針（PSP），或?qū)懽鱏P_process。用于常規(guī)的應(yīng)用程序代碼（不處于異

3、常服用例程中時(shí)）。要注意的是，并不是每個(gè)應(yīng)用都必須用齊兩個(gè)堆棧指針。簡(jiǎn)單的應(yīng)用程序只使用MSP就夠了。堆棧指針用于訪問(wèn)堆棧，并且PUSH 指令和POP 指令默認(rèn)使用SP。在Cortex M3 中，有專門的指令負(fù)責(zé)堆棧操作PUSH 和POP。它倆的匯編語(yǔ)言語(yǔ)法如下例所演示PUSH R0 ; *(-R13)=R0。R13 是long*的指針POP R0 ; R0= *R13+請(qǐng)注意后面C 程序風(fēng)格的注釋，ortex M3 中的堆棧以這種方式來(lái)使用的，這就是所謂的“向下生長(zhǎng)的滿?！保ū菊潞竺嬖谥v到堆棧內(nèi)存操作時(shí)還要展開(kāi)論述）。因此，在PUSH 新數(shù)據(jù)時(shí)，堆棧指針先減一個(gè)單元。通常在進(jìn)入一個(gè)子程序后，

4、第一件事就是把寄存器的值先PUSH 入堆棧中，在子程序退出前再POP 曾經(jīng)PUSH 的那些寄存器。另外，PUSH 和POP 還能一次操作多個(gè)寄存器，如下所示：subroutine_1PUSH R0-R7, R12, R14 ; 保存寄存器列表 ; 執(zhí)行處理POP R0-R7, R12, R14 ; 恢復(fù)寄存器列表BX R14 ; 返回到主調(diào)函數(shù)在程序中為了突出重點(diǎn)，你可以使用SP 表示R13。在程序代碼中，both MSP 和PSP 都被稱為R13/SP。不過(guò)，我們可以通過(guò)MRS/MSR 指令來(lái)指名道姓地訪問(wèn)具體的堆棧指針。MSP，亦寫作SP_main，這是復(fù)位后缺省使用堆棧指針，服務(wù)于操作系

5、統(tǒng)內(nèi)核和異常服務(wù)例程；而PSP，亦寫作SP_process，典型地用于普通的用戶線程中。寄存器的PUSH 和POP 操作永遠(yuǎn)都是4 字節(jié)對(duì)齊的也就是說(shuō)他們的地址必須是0 x4,0 x8,0 xc,。這樣一來(lái)，R13 的最低兩位被硬線連接到0,并且總是讀出0（Read As Zero）。4. 連接寄存器R14R14 是連接寄存器（LR）。在一個(gè)匯編程序中，你可以把它寫作both LR 和R14。LR 用于在調(diào)用子程序時(shí)存儲(chǔ)返回地址。例如，當(dāng)你在使用BL(分支并連接，Branch and Link)指令時(shí)，就自動(dòng)填充LR 的值。main ;主程序BL function1 ; 使用“分支并連接”指令

6、呼叫function1; PC= function1，并且LR=main 的下一條指令地址Function1 ; function1 的代碼BX LR ; 函數(shù)返回（如果function1 要使用LR，必須在使用前PUSH，否則返回時(shí)程序就可能跑飛了譯注）盡管PC 的LSB 總是0（因?yàn)榇a至少是字對(duì)齊的），LR 的LSB 卻是可讀可寫的。這是歷史遺留的產(chǎn)物。在以前，由位0 來(lái)指示ARM/Thumb 狀態(tài)。因?yàn)槠渌行〢RM 處理器支持ARM 和Thumb 狀態(tài)并存，為了方便匯編程序移植，CM3 需要允許LSB 可讀可寫。5. 程序計(jì)數(shù)器R15 R15 是程序計(jì)數(shù)器，在匯編代碼中你也可以使用名

7、字“PC”來(lái)訪問(wèn)它。因?yàn)镃M3 內(nèi)部使用了指令流水線，讀PC 時(shí)返回的值是當(dāng)前指令的地址+4。比如說(shuō)：0 x1000: MOV R0, PC ; R0 = 0 x1004如果向PC 中寫數(shù)據(jù)，就會(huì)引起一次程序的分支（但是不更新LR 寄存器）。CM3 中的指令至少是半字對(duì)齊的，所以PC 的LSB 總是讀回0。然而，在分支時(shí)，無(wú)論是直接寫在分支時(shí)，無(wú)論是直接寫PC 的值還是使用分支指令，都必須保證加載到的值還是使用分支指令，都必須保證加載到PC 的數(shù)值是奇數(shù)（即的數(shù)值是奇數(shù)（即LSB=1），用以表明這是在），用以表明這是在Thumb 狀態(tài)下執(zhí)行。倘狀態(tài)下執(zhí)行。倘若寫了若寫了0，則視為企圖轉(zhuǎn)入，則視

8、為企圖轉(zhuǎn)入ARM 模式，模式，CM3 將產(chǎn)生一個(gè)將產(chǎn)生一個(gè)fault 異常。異常。二、特殊功能寄存器組Cortex M3 中的特殊功能寄存器包括： 程序狀態(tài)寄存器組（PSRs 或曰xPSR） 中斷屏蔽寄存器組（PRIMASK, FAULTMASK,以及BASEPRI） 控制寄存器（CONTROL）它們只能被專用的MSR 和MRS 指令訪問(wèn)，而且它們也沒(méi)有存儲(chǔ)器地址。MRS , ;讀特殊功能寄存器的值到通用寄存器MSR , ;寫通用寄存器的值到特殊功能寄存器1.程序狀態(tài)寄存器（PSRs 或PSR）程序狀態(tài)寄存器在其內(nèi)部又被分為三個(gè)子狀態(tài)寄存器： 應(yīng)用程序 PSR（APSR） 中斷號(hào) PSR（IP

9、SR） 執(zhí)行 PSR（EPSR）通過(guò)MRS/MSR 指令，這3 個(gè)PSRs 即可以單獨(dú)訪問(wèn)，也可以組合訪問(wèn)（2 個(gè)組合，3 個(gè)組合都可以）。當(dāng)使用三合一的方式訪問(wèn)時(shí)，應(yīng)使用名字“xPSR”或者“PSR”。2. PRIMASK, FAULTMASK 和BASEPRI這三個(gè)寄存器用于控制異常的使能和除能。名字功能描述PRIMASK這是個(gè)只有1 個(gè)位的寄存器。當(dāng)它置1 時(shí)，就關(guān)掉所有可屏蔽的異常，只剩下NMI和硬fault 可以響應(yīng)。它的缺省值是0，表示沒(méi)有關(guān)中斷。FAULTMASK這是個(gè)只有1 個(gè)位的寄存器。當(dāng)它置1 時(shí)，只有NMI 才能響應(yīng)，所有其它的異常，包括中斷和fault，通通閉嘴。它的缺

10、省值也是0，表示沒(méi)有關(guān)異常。BASEPRI這個(gè)寄存器最多有9 位（由表達(dá)優(yōu)先級(jí)的位數(shù)決定）。它定義了被屏蔽優(yōu)先級(jí)的閾值。當(dāng)它被設(shè)成某個(gè)值后，所有優(yōu)先級(jí)號(hào)大于等于此值的中斷都被關(guān)（優(yōu)先級(jí)號(hào)越大，優(yōu)先級(jí)越低）。但若被設(shè)成0，則不關(guān)閉任何中斷，0 也是缺省值。對(duì)于時(shí)間 關(guān)鍵任務(wù)而言，PRIMASK 和BASEPRI 對(duì)于暫時(shí)關(guān)閉中斷是非常重要的。而FAULTMASK 則可以被OS 用于暫時(shí)關(guān)閉fault 處理機(jī)能，這種處理在某個(gè)任務(wù)崩潰時(shí)可能需要。因?yàn)樵谌蝿?wù)崩潰時(shí)，常常伴隨著一大堆faults。在系統(tǒng)料理“后事”時(shí)，通常不再需要響應(yīng)這些fault人死帳清。總之FAULTMASK 就是專門留給OS 用

11、的。要訪問(wèn)PRIMASK, FAULTMASK 以及BASEPRI，同樣要使用MRS/MSR 指令,如：MRS R0, BASEPRI ;讀取BASEPRI 到R0 中MRS R0, FAULTMASK ;似上MRS R0, PRIMASK ;似上MSR BASEPRI, R0 ;寫入R0 到BASEPRI 中MSR FAULTMASK, R0 ;似上MSR PRIMASK, R0 ;似上只有在特權(quán)級(jí)下，才允許訪問(wèn)這3 個(gè)寄存器。其實(shí)，為了快速地開(kāi)關(guān)中斷，CM3 還專門設(shè)置了一條CPS 指令，有4 種用法CPSID I ;PRIMASK=1， ;關(guān)中斷CPSIE I ;PRIMASK=0， ;

12、開(kāi)中斷CPSID F ;FAULTMASK=1, ;關(guān)異常CPSIE F ;FAULTMASK=0 ;開(kāi)異常3.控制寄存器（CONTROL）控制寄存器用于定義特權(quán)級(jí)別，還用于選擇當(dāng)前使用哪個(gè)堆棧指針。位功能CONTROL1堆棧指針選擇0=選擇主堆棧指針MSP（復(fù)位后缺省值）1=選擇進(jìn)程堆棧指針PSP在線程或基礎(chǔ)級(jí)（沒(méi)有在響應(yīng)異常譯注），可以使用PSP。在handler 模式下，只允許使用MSP，所以此時(shí)不得往該位寫1。CONTROL00=特權(quán)級(jí)的線程模式1=用戶級(jí)的線程模式Handler 模式永遠(yuǎn)都是特權(quán)級(jí)的。CONTROL1在Cortex M3 的handler 模式中，CONTROL1總是

13、0。在線程模式中則可以為0 或1。僅當(dāng)處于特權(quán)級(jí)的線程模式下，此位才可寫，其它場(chǎng)合下禁止寫此位。改變處理器的模式也有其它的方式：在異常返回時(shí)，通過(guò)修改LR 的位2，也能實(shí)現(xiàn)模式切換。這將在第5章中展開(kāi)論述。CONTROL0僅當(dāng)在特權(quán)級(jí)下操作時(shí)才允許寫該位。一旦進(jìn)入了用戶級(jí)，唯一返回特權(quán)級(jí)的途徑，就是觸發(fā)一個(gè)（軟）中斷，再由服務(wù)例程改寫該位。CONTROL 寄存器也是通過(guò)MRS 和MSR 指令來(lái)操作的：MRS R0, CONTROLMSR CONTROL, R0三、操作模式Cortex M3 支持2 個(gè)模式和兩個(gè)特權(quán)等級(jí)。當(dāng)處理器處在線程狀態(tài)下時(shí)，既可以使用特權(quán)級(jí)，也可以使用用戶級(jí)；另一方面，h

14、andler模式總是特權(quán)級(jí)的。在復(fù)位后，處理器進(jìn)入線程模式特權(quán)級(jí)。在線程模式用戶級(jí)下，對(duì)系統(tǒng)控制空間（SCS）的訪問(wèn)將被阻止該空間包含了配置寄存器s 以及調(diào)試組件的寄存器s。除此之外，還禁止使用MSR 訪問(wèn)剛才講到的特殊功能寄存器除了APSR 有例外。誰(shuí)若是以身試法，則將fault 伺候。在特權(quán)級(jí)下的代碼可以通過(guò)置位CONTROL0來(lái)進(jìn)入用戶級(jí)。而不管是任何原因產(chǎn)生了任何異常，處理器都將以特權(quán)級(jí)來(lái)運(yùn)行其服務(wù)例程，異常返回后將回到產(chǎn)生異常之前的特權(quán)級(jí)。用戶級(jí)下的代碼不能再試圖修改CONTROL0來(lái)回到特權(quán)級(jí)。它必須通過(guò)一個(gè)異常handler，由那個(gè)異常handler 來(lái)修改CONTROL0，才能

15、在返回到線程模式后拿到特權(quán)級(jí)。把代碼按特權(quán)級(jí)和用戶極分開(kāi)對(duì)待，有利于使架構(gòu)更加安全和健壯。例如，當(dāng)某個(gè)用戶代碼出問(wèn)題時(shí)，不會(huì)讓它成為害群之馬，因?yàn)橛脩艏?jí)的代碼是禁止寫特殊功能寄存器和NVIC中寄存器的。另外，如果還配有MPU，保護(hù)力度就更大，甚至可以阻止用戶代碼訪問(wèn)不屬于它的內(nèi)存區(qū)域。為了避免系統(tǒng)堆棧因應(yīng)用程序的錯(cuò)誤使用而毀壞，你可以給應(yīng)用程序?qū)ｉT配一個(gè)堆棧，不讓它共享操作系統(tǒng)內(nèi)核的堆棧。在這個(gè)管理制度下，運(yùn)行在線程模式的用戶代碼使用PSP，而異常服務(wù)例程則使用MSP。這兩個(gè)堆棧指針的切換是全自動(dòng)的，就在出入異常服務(wù)例程時(shí)由硬件處理。第8 章將詳細(xì)討論此主題。如前所述，特權(quán)等級(jí)和堆棧指針的選擇

16、均由CONTROL 負(fù)責(zé)。當(dāng)CONTROL0=0 時(shí)，在異常處理的始末，只發(fā)生了處理器模式的轉(zhuǎn)換，如下圖所示。但若CONTROL0=1（線程模式+用戶級(jí)），則在中斷響應(yīng)的始末，both 處理器模式和特權(quán)等極都要發(fā)生變化，如下圖所示。CONTROL0只有在特權(quán)級(jí)下才能訪問(wèn)。用戶級(jí)的程序如想進(jìn)入特權(quán)級(jí)，通常都是使用一條“系統(tǒng)服務(wù)呼叫指令（SVC）”來(lái)觸發(fā)“SVC 異?！?，該異常的服務(wù)例程可以選擇修改CONTROL0。四、異常與中斷Cortex M3 支持大量異常，包括16 4 1=11 個(gè)系統(tǒng)異常，和最多240 個(gè)外部中斷簡(jiǎn)稱IRQ。具體使用了這240 個(gè)中斷源中的多少個(gè)，則由芯片制造商決定。由外

17、設(shè)產(chǎn)生的中斷信號(hào)，除了SysTick 的之外，全都連接到NVIC 的中斷輸入信號(hào)線。典型情況下，處理器一般支持16 到32 個(gè)中斷，當(dāng)然也有在此之外的。作為中斷功能的強(qiáng)化，NVIC 還有一條NMI 輸入信號(hào)線。NMI 究竟被拿去做什么，還要視處理器的設(shè)計(jì)而定。在多數(shù)情況下，NMI 會(huì)被連接到一個(gè)看門狗定時(shí)器，有時(shí)也會(huì)是電壓監(jiān)視功能塊，以便在電壓掉至危險(xiǎn)級(jí)別后警告處理器。NMI 可以在任何時(shí)間被激活，甚至是在處理器剛剛復(fù)位之后。下表列出了Cortex M3 可以支持的所有異常。有一定數(shù)量的系統(tǒng)異常是用于fault 處理的，它們可以由多種錯(cuò)誤條件引發(fā)。NVIC 還提供了一些fault 狀態(tài)寄存器，

18、以便于fault 服務(wù)例程找出導(dǎo)致異常的具體原因。五、向量表當(dāng)一個(gè)發(fā)生的異常被CM3 內(nèi)核接受，對(duì)應(yīng)的異常handler 就會(huì)執(zhí)行。為了決定handler 的入口地址，CM3 使用了“向量表查表機(jī)制”。這里使用一張向量表。向量表其實(shí)是一個(gè)WORD（32 位整數(shù)）數(shù)組，每個(gè)下標(biāo)對(duì)應(yīng)一種異常，該下標(biāo)元素的值則是該異常handler 的入口地址。向量表的存儲(chǔ)位置是可以設(shè)置的，通過(guò)NVIC 中的一個(gè)重定位寄存器來(lái)指出向量表的地址。在復(fù)位后，該寄存器的值為0。因此，在地址0 處必須包含一張向量表，用于初始時(shí)的異常分配。舉個(gè)例子，如果發(fā)生了異常11（SVC），則NVIC 會(huì)計(jì)算出偏移移量是11x4=0 x

19、2C，然后從那里取出服務(wù)例程的入口地址并跳入。0 號(hào)異常的功能則是個(gè)另類，它并不是什么入口地址，而是給出了復(fù)位后MSP 的初值。六、棧內(nèi)存操作在Cortex M3 中，除了可以使用PUSH 和POP 指令來(lái)處理堆棧外，內(nèi)核還會(huì)在異常處理的始末自動(dòng)地執(zhí)行PUSH 與POP 操作。本節(jié)讓我們來(lái)檢視一下具體的動(dòng)作，第9 章則討論異常處理時(shí)的自動(dòng)棧操作。1. 堆棧的基本操作籠統(tǒng)地講，堆棧操作就是對(duì)內(nèi)存的讀寫操作，但是其地址由SP 給出。寄存器的數(shù)據(jù)通過(guò)PUSH 操作存入堆棧，以后用POP 操作從堆棧中取回。在PUSH 與POP 的操作中，SP 的值會(huì)按堆棧的使用法則自動(dòng)調(diào)整，以保證后續(xù)的PUSH 不會(huì)

20、破壞先前 PUSH 進(jìn)去的內(nèi)容。堆棧的功能就是把寄存器的數(shù)據(jù)放入內(nèi)存，以便將來(lái)能恢復(fù)之當(dāng)一個(gè)任務(wù)或一段子程序執(zhí)行完畢后恢復(fù)。正常情況下，PUSH 與POP 必須成對(duì)使用，而且參與的寄存器，不論是身份還是先后順序都必須完全一致。當(dāng)PUSH/POP 指令執(zhí)行時(shí)，SP 指針的值也根著自減/自增。2. Cortex-M3 堆棧的實(shí)現(xiàn)Cortex M3 使用的是“向下生長(zhǎng)的滿?！蹦Ｐ汀６褩Ｖ羔楽P 指向最后一個(gè)被壓入堆棧的32位數(shù)值。在下一次壓棧時(shí)，SP 先自減4，再存入新的數(shù)值。POP 操作剛好相反：先從SP 指針處讀出上一次被壓入的值，再把SP 指針自增4。在進(jìn)入ISR 時(shí)，CM3 會(huì)自動(dòng)把一些寄存

21、器壓棧，這里使用的是進(jìn)入ISR 之前使用的SP指針（MSP 或者是PSP）。離開(kāi)ISR 后，只要ISR 沒(méi)有更改過(guò)CONTROL1，就依然使用先前的SP 指針來(lái)執(zhí)行出棧操作。3.再論Cortex-M3 的雙堆棧機(jī)制我們已經(jīng)知道了CM3 的堆棧是分為兩個(gè)：主堆棧和進(jìn)程堆棧，ONTROL1決定如何選擇。當(dāng)CONTROL1=0 時(shí)，只使用MSP，此時(shí)用戶程序和異常handler 共享同一個(gè)堆棧。這也是復(fù)位后的缺省使用方式。當(dāng)CONTROL1=1 時(shí)，線程模式將使用PSP，此時(shí)，進(jìn)入異常時(shí)的自動(dòng)壓棧使用的是進(jìn)程堆棧，進(jìn)入異常handler 后才自動(dòng)改為MSP，退出異常時(shí)切換回PSP，并且從進(jìn)程堆棧上彈

22、出數(shù)據(jù)。在特權(quán)級(jí)下，可以指定具體的堆棧指針，而不受當(dāng)前使用堆棧的限制，示例代碼如下：MRS R0, MSP ; 讀取主堆棧指針到R0MSR MSP, R0 ; 寫入R0 的值到主堆棧中MRS R0, PSP ; 讀取進(jìn)程堆棧指針到R0MSR PSP, R0 ; 寫入R0 的值到進(jìn)程堆棧中通過(guò)讀取PSP 的值，OS 就能夠獲取用戶應(yīng)用程序使用的堆棧，進(jìn)一步地就知道了在發(fā)生異常時(shí)，被壓入寄存器的內(nèi)容，而且還可以把其它寄存器進(jìn)一步壓棧（使用STMDB和LDMIA的書(shū)寫形式）。OS 還可以修改PSP，用于實(shí)現(xiàn)多任務(wù)中的任務(wù)上下文切換。六、復(fù)位序列在離開(kāi)復(fù)位狀態(tài)后，CM3 做的第一件事就是讀取下列兩個(gè)32 位整數(shù)的值： 從地址 0 x0000,0000 處取出MSP 的初始值。 從地址 0 x0000,0004 處取出PC 的初始值這個(gè)值是復(fù)位向量，LSB 必須是1。然后從這個(gè)值所對(duì)應(yīng)的地址處取指。請(qǐng)注意，這與傳統(tǒng)的ARM 架構(gòu)不同其實(shí)也和絕大多數(shù)的其它單片機(jī)不同。傳統(tǒng)的ARM 架構(gòu)總是從0 地址開(kāi)始執(zhí)行第一條指令。它們的