Cortex M3基礎

1、Cortex M3基礎 寄存器組 特殊功能寄存器組 操作模式 異常和中斷 向量表 存儲器保護單元 堆棧區(qū)的操作 復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指令則可以訪問所有通用寄存器。特殊功能寄存器有預定義的功能，而且必須通過專用的指令來訪問。1. 通用目的寄存器R0-R7R0 R7 也被稱為低組寄存器。所有指令都能訪問它們。它們的字長全是32 位，復位后的初始值是不可預料的。2. 通用目的寄存器R8-R12R8 R12 也被稱為高組寄存

2、器。這是因為只有很少的16 位Thumb 指令能訪問它們，32位的指令則不受限制。它們也是32 位字長，且復位后的初始值是不可預料的。3. 堆棧指針R13 R13 是堆棧指針。在CM3 處理器內核中共有兩個堆棧指針，于是也就支持兩個堆棧。當引用R13（或寫作SP）時，你引用到的是當前正在使用的那一個，另一個必須用特殊的指令來訪問（MRS,MSR 指令）。這兩個堆棧指針分別是： 主堆棧指針（MSP），或寫作SP_main。這是缺省的堆棧指針，它由OS 內核、異常服務例程以及所有需要特權訪問的應用程序代碼來使用。 進程堆棧指針（PSP），或寫作SP_process。用于常規(guī)的應用程序代碼（不處于異

3、常服用例程中時）。要注意的是，并不是每個應用都必須用齊兩個堆棧指針。簡單的應用程序只使用MSP就夠了。堆棧指針用于訪問堆棧，并且PUSH 指令和POP 指令默認使用SP。在Cortex M3 中，有專門的指令負責堆棧操作PUSH 和POP。它倆的匯編語言語法如下例所演示PUSH R0 ; *(-R13)=R0。R13 是long*的指針POP R0 ; R0= *R13+請注意后面C 程序風格的注釋，ortex M3 中的堆棧以這種方式來使用的，這就是所謂的“向下生長的滿?！保ū菊潞竺嬖谥v到堆棧內存操作時還要展開論述）。因此，在PUSH 新數(shù)據(jù)時，堆棧指針先減一個單元。通常在進入一個子程序后，

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 ; 恢復寄存器列表BX R14 ; 返回到主調函數(shù)在程序中為了突出重點，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，我們可以通過MRS/MSR 指令來指名道姓地訪問具體的堆棧指針。MSP，亦寫作SP_main，這是復位后缺省使用堆棧指針，服務于操作系

5、統(tǒng)內核和異常服務例程；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 操作永遠都是4 字節(jié)對齊的也就是說他們的地址必須是0 x4,0 x8,0 xc,。這樣一來，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）。在一個匯編程序中，你可以把它寫作both LR 和R14。LR 用于在調用子程序時存儲返回地址。例如，當你在使用BL(分支并連接，Branch and Link)指令時，就自動填充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，否則返回時程序就可能跑飛了譯注）盡管PC 的LSB 總是0（因為代碼至少是字對齊的），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 來指示ARM/Thumb 狀態(tài)。因為其它有些ARM 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. 程序計數(shù)器R15 R15 是程序計數(shù)器，在匯編代碼中你也可以使用名

7、字“PC”來訪問它。因為CM3 內部使用了指令流水線，讀PC 時返回的值是當前指令的地址+4。比如說：0 x1000: MOV R0, PC ; R0 = 0 x1004如果向PC 中寫數(shù)據(jù)，就會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齊的，所以PC 的LSB 總是讀回0。然而，在分支時，無論是直接寫在分支時，無論是直接寫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，則視為企圖轉入，則視

8、為企圖轉入ARM 模式，模式，CM3 將產(chǎn)生一個將產(chǎn)生一個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，而且它們也沒有存儲器地址。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)寄存器在其內部又被分為三個子狀態(tài)寄存器： 應用程序 PSR（APSR） 中斷號 PSR（IP

9、SR） 執(zhí)行 PSR（EPSR）通過MRS/MSR 指令，這3 個PSRs 即可以單獨訪問，也可以組合訪問（2 個組合，3 個組合都可以）。當使用三合一的方式訪問時，應使用名字“xPSR”或者“PSR”。2. PRIMASK, FAULTMASK 和BASEPRI這三個寄存器用于控制異常的使能和除能。名字功能描述PRIMASK這是個只有1 個位的寄存器。當它置1 時，就關掉所有可屏蔽的異常，只剩下NMI和硬fault 可以響應。它的缺省值是0，表示沒有關中斷。FAULTMASK這是個只有1 個位的寄存器。當它置1 時，只有NMI 才能響應，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，表示沒有關異常。BASEPRI這個寄存器最多有9 位（由表達優(yōu)先級的位數(shù)決定）。它定義了被屏蔽優(yōu)先級的閾值。當它被設成某個值后，所有優(yōu)先級號大于等于此值的中斷都被關（優(yōu)先級號越大，優(yōu)先級越低）。但若被設成0，則不關閉任何中斷，0 也是缺省值。對于時間 關鍵任務而言，PRIMASK 和BASEPRI 對于暫時關閉中斷是非常重要的。而FAULTMASK 則可以被OS 用于暫時關閉fault 處理機能，這種處理在某個任務崩潰時可能需要。因為在任務崩潰時，常常伴隨著一大堆faults。在系統(tǒng)料理“后事”時，通常不再需要響應這些fault人死帳清。總之FAULTMASK 就是專門留給OS 用

11、的。要訪問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 ;似上只有在特權級下，才允許訪問這3 個寄存器。其實，為了快速地開關中斷，CM3 還專門設置了一條CPS 指令，有4 種用法CPSID I ;PRIMASK=1， ;關中斷CPSIE I ;PRIMASK=0， ;

12、開中斷CPSID F ;FAULTMASK=1, ;關異常CPSIE F ;FAULTMASK=0 ;開異常3.控制寄存器（CONTROL）控制寄存器用于定義特權級別，還用于選擇當前使用哪個堆棧指針。位功能CONTROL1堆棧指針選擇0=選擇主堆棧指針MSP（復位后缺省值）1=選擇進程堆棧指針PSP在線程或基礎級（沒有在響應異常譯注），可以使用PSP。在handler 模式下，只允許使用MSP，所以此時不得往該位寫1。CONTROL00=特權級的線程模式1=用戶級的線程模式Handler 模式永遠都是特權級的。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。僅當處于特權級的線程模式下，此位才可寫，其它場合下禁止寫此位。改變處理器的模式也有其它的方式：在異常返回時，通過修改LR 的位2，也能實現(xiàn)模式切換。這將在第5章中展開論述。CONTROL0僅當在特權級下操作時才允許寫該位。一旦進入了用戶級，唯一返回特權級的途徑，就是觸發(fā)一個（軟）中斷，再由服務例程改寫該位。CONTROL 寄存器也是通過MRS 和MSR 指令來操作的：MRS R0, CONTROLMSR CONTROL, R0三、操作模式Cortex M3 支持2 個模式和兩個特權等級。當處理器處在線程狀態(tài)下時，既可以使用特權級，也可以使用用戶級；另一方面，h

14、andler模式總是特權級的。在復位后，處理器進入線程模式特權級。在線程模式用戶級下，對系統(tǒng)控制空間（SCS）的訪問將被阻止該空間包含了配置寄存器s 以及調試組件的寄存器s。除此之外，還禁止使用MSR 訪問剛才講到的特殊功能寄存器除了APSR 有例外。誰若是以身試法，則將fault 伺候。在特權級下的代碼可以通過置位CONTROL0來進入用戶級。而不管是任何原因產(chǎn)生了任何異常，處理器都將以特權級來運行其服務例程，異常返回后將回到產(chǎn)生異常之前的特權級。用戶級下的代碼不能再試圖修改CONTROL0來回到特權級。它必須通過一個異常handler，由那個異常handler 來修改CONTROL0，才能

15、在返回到線程模式后拿到特權級。把代碼按特權級和用戶極分開對待，有利于使架構更加安全和健壯。例如，當某個用戶代碼出問題時，不會讓它成為害群之馬，因為用戶級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，保護力度就更大，甚至可以阻止用戶代碼訪問不屬于它的內存區(qū)域。為了避免系統(tǒng)堆棧因應用程序的錯誤使用而毀壞，你可以給應用程序專門配一個堆棧，不讓它共享操作系統(tǒng)內核的堆棧。在這個管理制度下，運行在線程模式的用戶代碼使用PSP，而異常服務例程則使用MSP。這兩個堆棧指針的切換是全自動的，就在出入異常服務例程時由硬件處理。第8 章將詳細討論此主題。如前所述，特權等級和堆棧指針的選擇

16、均由CONTROL 負責。當CONTROL0=0 時，在異常處理的始末，只發(fā)生了處理器模式的轉換，如下圖所示。但若CONTROL0=1（線程模式+用戶級），則在中斷響應的始末，both 處理器模式和特權等極都要發(fā)生變化，如下圖所示。CONTROL0只有在特權級下才能訪問。用戶級的程序如想進入特權級，通常都是使用一條“系統(tǒng)服務呼叫指令（SVC）”來觸發(fā)“SVC 異?！?，該異常的服務例程可以選擇修改CONTROL0。四、異常與中斷Cortex M3 支持大量異常，包括16 4 1=11 個系統(tǒng)異常，和最多240 個外部中斷簡稱IRQ。具體使用了這240 個中斷源中的多少個，則由芯片制造商決定。由外

17、設產(chǎn)生的中斷信號，除了SysTick 的之外，全都連接到NVIC 的中斷輸入信號線。典型情況下，處理器一般支持16 到32 個中斷，當然也有在此之外的。作為中斷功能的強化，NVIC 還有一條NMI 輸入信號線。NMI 究竟被拿去做什么，還要視處理器的設計而定。在多數(shù)情況下，NMI 會被連接到一個看門狗定時器，有時也會是電壓監(jiān)視功能塊，以便在電壓掉至危險級別后警告處理器。NMI 可以在任何時間被激活，甚至是在處理器剛剛復位之后。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 服務例程找出導致異常的具體原因。五、向量表當一個發(fā)生的異常被CM3 內核接受，對應的異常handler 就會執(zhí)行。為了決定handler 的入口地址，CM3 使用了“向量表查表機制”。這里使用一張向量表。向量表其實是一個WORD（32 位整數(shù)）數(shù)組，每個下標對應一種異常，該下標元素的值則是該異常handler 的入口地址。向量表的存儲位置是可以設置的，通過NVIC 中的一個重定位寄存器來指出向量表的地址。在復位后，該寄存器的值為0。因此，在地址0 處必須包含一張向量表，用于初始時的異常分配。舉個例子，如果發(fā)生了異常11（SVC），則NVIC 會計算出偏移移量是11x4=0 x

19、2C，然后從那里取出服務例程的入口地址并跳入。0 號異常的功能則是個另類，它并不是什么入口地址，而是給出了復位后MSP 的初值。六、棧內存操作在Cortex M3 中，除了可以使用PUSH 和POP 指令來處理堆棧外，內核還會在異常處理的始末自動地執(zhí)行PUSH 與POP 操作。本節(jié)讓我們來檢視一下具體的動作，第9 章則討論異常處理時的自動棧操作。1. 堆棧的基本操作籠統(tǒng)地講，堆棧操作就是對內存的讀寫操作，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 的值會按堆棧的使用法則自動調整，以保證后續(xù)的PUSH 不會

20、破壞先前 PUSH 進去的內容。堆棧的功能就是把寄存器的數(shù)據(jù)放入內存，以便將來能恢復之當一個任務或一段子程序執(zhí)行完畢后恢復。正常情況下，PUSH 與POP 必須成對使用，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PUSH/POP 指令執(zhí)行時，SP 指針的值也根著自減/自增。2. Cortex-M3 堆棧的實現(xiàn)Cortex M3 使用的是“向下生長的滿?！蹦Ｐ汀６褩Ｖ羔楽P 指向最后一個被壓入堆棧的32位數(shù)值。在下一次壓棧時，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。在進入ISR 時，CM3 會自動把一些寄存

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

22、出數(shù)據(jù)。在特權級下，可以指定具體的堆棧指針，而不受當前使用堆棧的限制，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 ; 讀取進程堆棧指針到R0MSR PSP, R0 ; 寫入R0 的值到進程堆棧中通過讀取PSP 的值，OS 就能夠獲取用戶應用程序使用的堆棧，進一步地就知道了在發(fā)生異常時，被壓入寄存器的內容，而且還可以把其它寄存器進一步壓棧（使用STMDB和LDMIA的書寫形式）。OS 還可以修改PSP，用于實現(xiàn)多任務中的任務上下文切換。六、復位序列在離開復位狀態(tài)后，CM3 做的第一件事就是讀取下列兩個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 的初始值這個值是復位向量，LSB 必須是1。然后從這個值所對應的地址處取指。請注意，這與傳統(tǒng)的ARM 架構不同其實也和絕大多數(shù)的其它單片機不同。傳統(tǒng)的ARM 架構總是從0 地址開始執(zhí)行第一條指令。它們的