Cortex M3基础

CortexM3基础•􀁺寄存器组•􀁺特殊功能寄存器组•􀁺操作模式•􀁺异常和中断•􀁺向量表•􀁺存储器保护单元•􀁺堆栈区的操作•􀁺复位序列提纲一．寄存器组CM3拥有通用寄存器R0‐R15以及一些特殊功能寄存器。R0‐R12是最“通用目的”的，但是绝大多数的16位指令只能使用R0‐R7（低组寄存器），而32位的Thumb‐2指令则可以访问所有通用寄存器。特殊功能寄存器有预定义的功能，而且必须通过专用的指令来访问。1.通用目的寄存器R0-R7R0‐R7也被称为低组寄存器。所有指令都能访问它们。它们的字长全是32位，复位后的初始值是不可预料的。2.通用目的寄存器R8-R12R8‐R12也被称为高组寄存器。这是因为只有很少的16位Thumb指令能访问它们，32位的指令则不受限制。它们也是32位字长，且复位后的初始值是不可预料的。3.堆栈指针R13R13是堆栈指针。在CM3处理器内核中共有两个堆栈指针，于是也就支持两个堆栈。当引用R13（或写作SP）时，你引用到的是当前正在使用的那一个，另一个必须用特殊的指令来访问（MRS,MSR指令）。这两个堆栈指针分别是：•􀁺主堆栈指针（MSP），或写作SP_main。这是缺省的堆栈指针，它由OS内核、异常服务例程以及所有需要特权访问的应用程序代码来使用。•􀁺进程堆栈指针（PSP），或写作SP_process。用于常规的应用程序代码（不处于异常服用例程中时）。要注意的是，并不是每个应用都必须用齐两个堆栈指针。简单的应用程序只使用MSP就够了。堆栈指针用于访问堆栈，并且PUSH指令和POP指令默认使用SP。在Cortex‐M3中，有专门的指令负责堆栈操作——PUSH和POP。它俩的汇编语言语法如下例所演示PUSH{R0};*(--R13)=R0。R13是long*的指针POP{R0};R0=*R13++请注意后面C程序风格的注释，ortex‐M3中的堆栈以这种方式来使用的，这就是所谓的“向下生长的满栈”（本章后面在讲到堆栈内存操作时还要展开论述）。因此，在PUSH新数据时，堆栈指针先减一个单元。通常在进入一个子程序后，第一件事就是把寄存器的值先PUSH入堆栈中，在子程序退出前再POP曾经PUSH的那些寄存器。另外，PUSH和POP还能一次操作多个寄存器，如下所示：subroutine_1PUSH{R0-R7,R12,R14};保存寄存器列表…;执行处理POP{R0-R7,R12,R14};恢复寄存器列表BXR14;返回到主调函数在程序中为了突出重点，你可以使用SP表示R13。在程序代码中，bothMSP和PSP都被称为R13/SP。不过，我们可以通过MRS/MSR指令来指名道姓地访问具体的堆栈指针。MSP，亦写作SP_main，这是复位后缺省使用堆栈指针，服务于操作系统内核和异常服务例程；而PSP，亦写作SP_process，典型地用于普通的用户线程中。寄存器的PUSH和POP操作永远都是4字节对齐的——也就是说他们的地址必须是0x4,0x8,0xc,……。这样一来，R13的最低两位被硬线连接到0,并且总是读出0（ReadAsZero）。4.连接寄存器R14R14是连接寄存器（LR）。在一个汇编程序中，你可以把它写作bothLR和R14。LR用于在调用子程序时存储返回地址。例如，当你在使用BL(分支并连接，BranchandLink)指令时，就自动填充LR的值。main;主程序…BLfunction1;使用“分支并连接”指令呼叫function1;PC=function1，并且LR=main的下一条指令地址…Function1…;function1的代码BXLR;函数返回（如果function1要使用LR，必须在使用前PUSH，否则返回时程序就可能跑飞了——译注）尽管PC的LSB总是0（因为代码至少是字对齐的），LR的LSB却是可读可写的。这是历史遗留的产物。在以前，由位0来指示ARM/Thumb状态。因为其它有些ARM处理器支持ARM和Thumb状态并存，为了方便汇编程序移植，CM3需要允许LSB可读可写。5.程序计数器R15R15是程序计数器，在汇编代码中你也可以使用名字“PC”来访问它。因为CM3内部使用了指令流水线，读PC时返回的值是当前指令的地址+4。比如说：0x1000:MOVR0,PC;R0=0x1004如果向PC中写数据，就会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对齐的，所以PC的LSB总是读回0。然而，在分支时，无论是直接写PC的值还是使用分支指令，都必须保证加载到PC的数值是奇数（即LSB=1），用以表明这是在Thumb状态下执行。倘若写了0，则视为企图转入ARM模式，CM3将产生一个fault异常。二、特殊功能寄存器组Cortex‐M3中的特殊功能寄存器包括：􀁺程序状态寄存器组（PSRs或曰xPSR）􀁺中断屏蔽寄存器组（PRIMASK,FAULTMASK,以及BASEPRI）􀁺控制寄存器（CONTROL）它们只能被专用的MSR和MRS指令访问，而且它们也没有存储器地址。MRSgp_reg,special_reg;读特殊功能寄存器的值到通用寄存器MSRspecial_reg,gp_reg;写通用寄存器的值到特殊功能寄存器1.程序状态寄存器（PSRs或PSR）程序状态寄存器在其内部又被分为三个子状态寄存器：•􀁺应用程序PSR（APSR）•􀁺中断号PSR（IPSR）•􀁺执行PSR（EPSR）通过MRS/MSR指令，这3个PSRs即可以单独访问，也可以组合访问（2个组合，3个组合都可以）。当使用三合一的方式访问时，应使用名字“xPSR”或者“PSR”。2.PRIMASK,FAULTMASK和BASEPRI这三个寄存器用于控制异常的使能和除能。名字功能描述PRIMASK这是个只有1个位的寄存器。当它置1时，就关掉所有可屏蔽的异常，只剩下NMI和硬fault可以响应。它的缺省值是0，表示没有关中断。FAULTMASK这是个只有1个位的寄存器。当它置1时，只有NMI才能响应，所有其它的异常，包括中断和fault，通通闭嘴。它的缺省值也是0，表示没有关异常。BASEPRI这个寄存器最多有9位（由表达优先级的位数决定）。它定义了被屏蔽优先级的阈值。当它被设成某个值后，所有优先级号大于等于此值的中断都被关（优先级号越大，优先级越低）。但若被设成0，则不关闭任何中断，0也是缺省值。对于时间‐关键任务而言，PRIMASK和BASEPRI对于暂时关闭中断是非常重要的。而FAULTMASK则可以被OS用于暂时关闭fault处理机能，这种处理在某个任务崩溃时可能需要。因为在任务崩溃时，常常伴随着一大堆faults。在系统料理“后事”时，通常不再需要响应这些fault——人死帐清。总之FAULTMASK就是专门留给OS用的。要访问PRIMASK,FAULTMASK以及BASEPRI，同样要使用MRS/MSR指令,如：MRSR0,BASEPRI;读取BASEPRI到R0中MRSR0,FAULTMASK;似上MRSR0,PRIMASK;似上MSRBASEPRI,R0;写入R0到BASEPRI中MSRFAULTMASK,R0;似上MSRPRIMASK,R0;似上只有在特权级下，才允许访问这3个寄存器。其实，为了快速地开关中断，CM3还专门设置了一条CPS指令，有4种用法CPSIDI;PRIMASK=1，;关中断CPSIEI;PRIMASK=0，;开中断CPSIDF;FAULTMASK=1,;关异常CPSIEF;FAULTMASK=0;开异常3.控制寄存器（CONTROL）控制寄存器用于定义特权级别，还用于选择当前使用哪个堆栈指针。位功能CONTROL[1]堆栈指针选择0=选择主堆栈指针MSP（复位后缺省值）1=选择进程堆栈指针PSP在线程或基础级（没有在响应异常——译注），可以使用PSP。在handler模式下，只允许使用MSP，所以此时不得往该位写1。CONTROL[0]0=特权级的线程模式1=用户级的线程模式Handler模式永远都是特权级的。CONTROL[1]在Cortex‐M3的handler模式中，CONTROL[1]总是0。在线程模式中则可以为0或1。仅当处于特权级的线程模式下，此位才可写，其它场合下禁止写此位。改变处理器的模式也有其它的方式：在异常返回时，通过修改LR的位2，也能实现模式切换。这将在第5章中展开论述。CONTROL[0]仅当在特权级下操作时才允许写该位。一旦进入了用户级，唯一返回特权级的途径，就是触发一个（软）中断，再由服务例程改写该位。CONTROL寄存器也是通过MRS和MSR指令来操作的：MRSR0,CONTROLMSRCONTROL,R0三、操作模式Cortex‐M3支持2个模式和两个特权等级。当处理器处在线程状态下时，既可以使用特权级，也可以使用用户级；另一方面，handler模式总是特权级的。在复位后，处理器进入线程模式＋特权级。在线程模式＋用户级下，对系统控制空间（SCS）的访问将被阻止——该空间包含了配置寄存器s以及调试组件的寄存器s。除此之外，还禁止使用MSR访问刚才讲到的特殊功能寄存器——除了APSR有例外。谁若是以身试法，则将fault伺候。在特权级下的代码可以通过置位CONTROL[0]来进入用户级。而不管是任何原因产生了任何异常，处理器都将以特权级来运行其服务例程，异常返回后将回到产生异常之前的特权级。用户级下的代码不能再试图修改CONTROL[0]来回到特权级。它必须通过一个异常handler，由那个异常handler来修改CONTROL[0]，才能在返回到线程模式后拿到特权级。把代码按特权级和用户极分开对待，有利于使架构更加安全和健壮。例如，当某个用户代码出问题时，不会让它成为害群之马，因为用户级的代码是禁止写特殊功能寄存器和NVIC中寄存器的。另外，如果还配有MPU，保护力度就更大，甚至可以阻止用户代码访问不属于它的内存区域。为了避免系统堆栈因应用程序的错误使用而毁坏，你可以给应用程序专门配一个堆栈，不让它共享操作系统内核的堆栈。在这个管理制度下，运行在线程模式的用户代码使用PSP，而异常服务例程则使用MSP。这两个堆栈指针的切换是全自动的，就在出入异常服务例程时由硬件处理。第8章将详细讨论此主题。如前所述，特权等级和堆栈指针的选择均由CONTROL负责。当CONTROL[0]=0时，在异常处理的始末，只发生了处理器模式的转换，如下图所示。但若CONTROL[0]=1（线程模式+用户级），则在中断响应的始末，both处理器模式和特权等极都要发生变化，如下图所示。CONTROL［0］只有在特权级下才能访问。用户级的程序如想进入特权级，通常都是使用一条“系统服务呼叫指令（SVC）”来触发“SVC异常”，该异常的服务例程可以选择修改CONTROL[0]。四、异常与中断Cortex‐M3支持大量异常，包括16‐4‐1=11个系统异常，和最多240个外部中断——简称IRQ。具体使用了这240个中断源中的多少个，则由芯片制造商决定。由外设产生的中断信号，除了SysTick的之外，全都连接到NVIC的中断输入信号线。典型情况下，处理器一般支持16到32个中断，当然也有在此之外的。作为中断功能的强化，NVIC还有一条NMI输入信号线。NMI究竟被拿去做什么，还要视处理器的设计而定。在多数情况下，NMI会被连接到一个看门狗定时器，有时也会是电压监视功能块，以便在电压掉至危险级别后警告处理器。NMI可以在任何时间被激活，甚至是在处理器刚刚复位之后。下表列出了Cortex‐M3可以支持的所有异常。有一定数量的系统异常是用于fault处理的，它们可以由多种错误条件引发。NVIC还提供了一些fault状态寄存器，以便于fault服务例程找出导致异常的具体原因。五、向量表当一个发生的异常被CM3内核接受，对应的异常handler就会执行。为了决定handler的入口地址，CM3使用了“向量表查