Cortex-M3那点事

一：寄存器组

Cortex-M3处理器拥有R0-R15的寄存器组：

   R0-R12是通用寄存器。

R13作为堆栈指针SP有两个，但在同一时刻只有一个起作用。

（MSP: 复位后默认使用的堆栈指针，用于操作系统内核以及异常处理例程,PSP: 由用户的应用程序代码使用）

R14: 连接寄存器。

R15：程序寄数器，指向当前的程序地址。

特殊功能寄存器：

● 程序状态寄存器组（PSR）

● 中断屏蔽寄存器组（PRIMASK,FAULTMASK,BASEPRI）

● 控制寄存器（CONTROL）

Cortex-M3中有专门的指令复责堆栈操作——PUSH和POP，其汇编语法如下：

PUSH {R0} ; *(--R13) = R0

POP {R0} ; R0 = *R13++

   注意注释：何谓“向下增长的满栈”？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入堆放栈中，在子程序退出前再POP曾经PUSH的那些寄存器。在程序中可以直接把R13写作SP。

R15又叫作“PC”，读PC时返回的值是当前指令的地址+4。

特殊功能寄存器组专用的访问指令：

MRS    R0 , PC ;读特殊功能寄存器的值到通用寄存器

MSR    PC ,R0 ;写通用寄存器的值到特殊功能寄存器

二：操作模式和特权级别

两种特权操作模式：handler mode 和 thread mode

特权的分级：特权级和用户级

Thread mode可以使用特权级也可以用用户级，但异常服务例程必须使用特权级。

复位后，处理器默认进入thread mode，特权级访问。

从用户级到特权级的唯一途径就是异常，特权级可以通过修改CONTROL寄存切换到用户级。

三：总线接口

Cortex-M3内部有若干条总线接口，使CM3能同时取址和访问内存，它们是：

● 指令存储区总线（若干条）

● 系统总线

● 私有外设总线

两条代码存储区总线负责对代码存储区的访问，分别是I-Code 总线和我D-Code，前者用于取指，后者用于查表等操作，它们按最佳执行速度进行优化。

系统总线用于访问内存和外设，覆盖的区域包括SRAM,片上外设，片外RAM，片外扩展设备，以及系统级存储区的部分空间。

私有外设总线负责一部分私有外设的访问，主要是访问调试组件。它们是系统级存储区。

四：中断和异常

ARMv7-M开创了一个全新的异常模型，这种异常模型跟传统的ARM处理器使用完全是两码事。新的异常模型“使能”了非常高效的异常处理，它支持16-4-1=11种系统异常，外加240个外部中断输入，在CM3中取消了FIQ的概念，这是因为有了更新的更好的机制——中断优先级管理以及嵌套中断支持，它们被纳入CM3的中断管理逻辑中，因此，支持嵌套中断的系统就更容易实现FIQ。

CM3的所有中断机制都由NVIC实现。

 五：向量表

CM3响应一个发生的异常后，对应的异常服务例程就会执行，为了决定异常服务程序入口地址，CM3使用“向量表查询机制”。向量表其实是一个WORD数组。

六：常见部分汇编指令（移植操作系统时用）

1.后缀的使用：

● S    更新APSR的相关标志

● EQ,NE,LT,GT等：EQ = Euqal, NE = Not Equal, LT = Less Than ,GT = Greater Than.

2.APSR的5个标志：N: 负数标志（Negative）；

    Z: 零结果标志（Zero）；

  C: 进位/借位标志(Carry)；

  V：溢出标志（oVerflow）；

                  S: 饱和标志;

3.ADC: 带进位的加法

4.ASR:  算术右移

5.BIC:  按位清0

6.CMP:  比较（更新标志）

7.EOR:  近位异或

8.LSL:  算术左移  

9.ORR:  按位异或

10.ROR: 圈圈左移

11.SBC: 带借位的减法

12.SUB: 减法

13.TST: 测试

14.BL: 转移并链接

15.CBZ: 比较，如果结果为0就转移

16.LDR: 从存储器中加载一个字到一个寄存器中

17.LDRH  加载半字

18.LDRB: 加载一个字节

19.STR:

20.STRH:

21.STRB:

22.TST:  测试（执行按位与操作，并且根据结果更新Z）

         (其本质就是AND指令，只是不写`回运算结果，只更新标志位)

23.TEQ:  测试是否相等（对两个数妨行异或，更新标志但不存储结果）

24.IF THEN 指令

例：CMP  RO,R1

ITTEE EQ :如果R0 == R1,Then-then-Else-Else

ADDEQ

ADDEQ

ADDNE

ADDNE

七：异常

    Cortex-M3在内核水平上搭载了一个异常响应系统，支持为数众多的系统异常和外部中断。其中编号1-15的对的应系统异常，大地等于16的则全是外部中断。

（细分中断和异常：240个外部中断对CM3核来说都是是“意外的突发事件”——也就是说，该诸求信号来自CM3内核的外面，来自各种外部片上外设和外扩的外设，对CM3来说是“异步”的，而异常则是因CM3内核的活动产生的——在执行指令或访问存储器时产生，因此对CM3来说是“同步”的）

当发生了异常并且要响应它时，CM3需要定位其服务例程的入口地址，这些入口地址存储在所谓的“异常向量表”中。

八：SVC和PendSV

SVC(系统服务调用)和PendSV（可挂起系统调用）多用在操作系统的软件开发中。SVC用于产生系统函数的调用请求，例如：操作系统通常不让用户程序直接访问硬件，而是通过提供一些系统服务函数，让用户程序使用SVC发出对系统服务函数的调用请求，以这种方式调用它们来直接访问硬件。因此，当用户程序想要控制特定硬件时，就要产生一个SVC异常，然后操作系统提供的SVC异常服务例程得到执行，它再调用相关的操作系统函数，后者完成用户程序请求的服务。

这种“提出要求——得到满足”的方式，很好，很强大，很方便，很灵活，很能可持续发展。首先，它使用户程序从控制硬件的繁文缛节中解脱出来，由OS负责控制具体的硬件。第二，OS的代码可以经过充分的测试，从而使系统更加健壮和可靠。第三，它使用户程序无需在特权级下执行，用户程序无需承担因误操作而瘫痪整个系统的风险。第四，通过SVC的机制，用户程序变得与硬件无关，因此在开发应用程序时无需了解硬件的操作细节，从而简化了开发的难度和繁琐度，并且使应用程序跨平台移植成为可能。

SVC异常通过执行SVC指令来产生。该指令需要一个立即数充当系统调用代号。SVC异常服务例程序稍后会提取出此代号，从而获知本次调用的具体要求，再调用相应的服务函数。

另一个相关的异常是PendSV，它和SVC协同使用。一方面，SVC异常是必须执行SVC指令后立即得到响应的，应用程序执行SVC时都是希望所需的请求立即得到响应是。另一方面，PendSV则不同，它可以像普通的中断一样被挂起，OS可以利用它“缓期执行”一个异常——直到其它重要的任务完成后才执行动作，挂起PendSV的方法是：手工往NVIC的PendSV挂起寄存器中写1，挂起后，如果优先级不够高，则将缓期执行。

（参见<CORTEX-M3权威指南>130页）

PendSV典型使用场合是在上下文切换时（在不同任务间切换）。例如：一个系统中有两个就绪任务，上下文切换被触发的场合可以是：

● 执行一个系统调用

● 系统滴答定时器中断（轮转调度中需要）

PendSV异常会自动延尺上下文切换的请求，直到其他的ISR都完成了处理后才放行。为了实现这个机制，需要把PendSV编程为最低优先级的异常。如果OS检测到某IRQ正在活动并且被SysTick抢占，它将挂起一个PendSV异常，以便缓期执行上下文切换。

（《Cortex-M3权威指南》第130-131页）

九：中断的具体行为

 当CM3开始响应一个中断时，在它小小的体内干了三件大事：

  ● 入栈：把8个寄存器的值压入栈。

  ● 取向量： 从向量表中找出对应的中断服务程序入口地址。

  ● 选择堆栈指针MSP/PSP，更新堆栈指针SP，更新连接寄存器LR，更新程序计数器PC。

1.入栈

响应异常的第1个动作，就是自动保存现场的必要部分：依次把x PSR,PC,LR,R12以及R0-R3由硬件自动压入适当的栈中，如果响应异常时，当前的代码正在使用PSP，则压入PSP,也就是使用进程堆栈否则就压入MSP,使用主堆栈，一量进入服务例程，就将一直使用主堆栈。

CM3在看不见的内部打乱了入栈的顺序，这是有深层次的原因的。先把PC与XPSR的值保存，就可以更早地启动服务例程指令的预取——因为这需要修改PC；同时也做到了在早期就可以更新XPSR中IPSR位段的值。

为啥袒护R0-R3和R12呢? R4-R11就是下等公民？

在ARM上，有一套C函数调用标准约定（AAPCS）,原因就在它上面，它使得中断服务例程序能用C语言来编写，编绎器首先使用了栈寄存器来保存中间结果（当然，如果程序过大也可能使用到R4-R11，此时编绎器负责生成代码来PUSH它们，但是ISR应短小精悍，不要让系统如此操心）。

2.取向量

   当数据总线（系统总线）正在为入栈操作而忙得风风火火时，指令总线（I-Code）可不是凉快地坐着看热闹——它正在为响应中断紧张有序地执行另一项重要的任务：从向量表中找出正确的异常向量，然后在服务程序的入口处预取指。由此看到各自都有专用总线的好处：入栈与取指这两个工作是同时进行的。

3.更新寄存器

  入栈和取向量操作完成后，在执行服务例程之前，还需要更新一系列的寄存器。

  需要更新的有：SP,PSR,PC,LR以及NVIC相关寄存器。

（详细参见《权威指南》147页）

4.异常返回

  异常返回包括以下两个动作：

● 出栈：原先压入栈的数据出栈。

● 更新NVIC寄存器：伴随着异常的返回，它的活动位也被硬件清除。

 

Cortex-M3真是好啊，越来越觉得它功能强大，使用灵活，理解其体系结构有助于在各场家芯片间应对自如，还有就是移植UCOS 时必须知道这些东西。

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