Cortex-M3/M4基础

一、Cortex-M3/M4 通用寄存器

1、我们首先来了解一下M3/M4的寄存器，M4比M3多了一个浮点单元FPU。其他的部分基本和M3是一样的。

2、Cortex-M3/M4系列处理器拥有通用寄存器R0-R15以及一些特殊功能的寄存器。

3、R0‐ R12 是最“通用目的”的。

4、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。这里提到Thumb-2指令，我简单地介绍一下。

Thumb-2是一种精简指令集（RISC）架构，最初由ARM公司开发，并广泛用于ARM处理器上。Thumb-2指令集是ARM指令集的一个扩展，旨在提高代码密度和执行效率。

Thumb-2指令集提供了两种指令集状态：Thumb状态和Thumb-2状态。在Thumb状态下，指令长度为16位，相对于32位的ARM指令来说，代码密度更高。在Thumb-2状态下，指令长度可以是16位或32位，这样就可以运行更复杂的指令，提高程序的执行效率。

Thumb-2指令集具有以下特点：

1. 兼容性：Thumb-2指令集能够与之前的Thumb指令集和ARM指令集兼容，既可以在Thumb状态下执行16位指令，也可以在Thumb-2状态下执行32位指令。
2. 代码密度：Thumb-2指令集通过使用16位指令来减小代码大小，从而提高代码密度。这对于存储空间受限或带宽有限的嵌入式系统尤为重要。
3. 执行效率：Thumb-2指令集在Thumb-2状态下可以执行更复杂的指令，包括对大多数ARM指令的支持，从而提高执行效率和系统性能。

总而言之，Thumb-2指令集是ARM处理器上一种具有代码密度和执行效率优势的指令集，适用于各种嵌入式系统和移动设备应用。

 5、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， Cortex-M3/M4 的通用寄存器如图所示。

基于上图，我将逐一讲解各种寄存器的作用。

1)通用目的寄存器 R0-R7

R0‐ 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-R12

R8‐ 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 R13

R13 是堆栈指针。在 CM3/CM4 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：

（1）、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。

（2）、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。

4)连接寄存器 R14
1、R 1 4 是连接寄存器（ L R）。在一个汇编程序中，你可以把它写作 b o t h LR 和 R14。

2、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， Branch and Link)指令时，就自动填充 LR 的值。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/CM4 需要允许 LSB 可读可写。

5)程序计数器 R15
1、R15 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。
2、因为 CM3/CM4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。

例如：

ox1000： MOV   R0，  PC   ；    R0 = 0x1004

3、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/CM4中的指令至少是半字对齐的，所以 PC 的 LSB 总是读回 0。

4、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，将产生一个 fault异常。

6)特殊功能寄存器组

1、程序状态寄存器组（ PSRs 或者 xPSR）

2、中断屏蔽寄存器组（ PRIMASK, FAULTMASK,以及 BASEPRI）

3、控制寄存器（ CONTROL）

注意：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。

MRS MSR

, ,

; 读特殊功能寄存器的值到通用寄存器 ; 写通用寄存器的值到特殊功能寄存器

 7)程序状态寄存器(PSRs 或曰 PSR)

1、应用程序 PSR（ APSR）

2、中断号 PSR（ IPSR）

3、执行 PSR（ EP SR）

说明：通过 M RS / M S R 指令，这 3 个 PSR s 既可以单独访问，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”。三个寄存器的各个位的含义如下图。

PRIMASK,FAULTMASK 和 BASEPRI
这三个寄存器很重要，这三个寄存器用于控制异常的使能和除能，这三个寄存器的介绍如下图：

 

 说明：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：

只有在特权级下，才允许访问这 3 个寄存器， 为了快速地开关中断， CM3/CM4 还专门设置了一条 CPS 指令，有 4 种用法，这四种用法非常重要，我们在移植 UCOS 操作系统的时候就是用这下面的方法来开关中断的。

CPSID	I	;PRIMASK=1，	; 关中断
CPSIE	I	;PRIMASK=0，	; 开中断
CPSID	F	;FAULTMASK=1, ; 关异常
CPSIE	F	;FAULTMASK=0	; 开异常

 8)控制寄存器（CONTROL）

CONTROL 寄存器用于定义特权级别和堆栈指针的使用， CONTROL 寄存器如下表 所示,注
意 CONTROL[2]只有 Cortex-M4 才有。

 CONTROL[2]
在 Cortex-M4 中有 FPU 单元，如果我们使用了 FPU，那么在处理异常时就需要保存 FPU 环境， 此位用来指示是否需要保存浮点环境。

 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。

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：
 

MRS	R0,	CONTROL
MSR	CONTROL,	R0

 9)EXC_RETURN

在进入异常服务程序后， L R 的值被自动更新为特殊的 EXC_RETURN，对于 Cortex-M4
来说这是一个高 27 位全为 1 的值(M3 是高 28 位都为 1)。 M4 中[4:0]位有意义，在 M3 中[3:0]
有意义，并且和 M4 中的相同， EXC_RETURN 位段如表 2.1.4 所示。
注意！ EXC_RETURN 的 bit4 非常重要，我们可以根据此位的值来获知硬件会对哪些寄存器进
行自动压入栈和出栈处理。

二、操作模式和特权级别

1、Cortex-M3/CM4 处理器支持两种处理器的操作模式，还支持两级特权操作。

2、两种操作模式分别为： 处理者模式 (handler mode)和线程模式(thread mode)。引入两个模式的本意，是用于区别普通应用程序的代码和异常服务例程的代码——包括中断服务例程的代码。

3、Cortex-M3/M4 的另一个侧面则是特权的分级——特权级和用户级。这可以提供一种存储器访问的保护机制，使得普通的用户程序代码不能意外地，甚至是恶意地执行涉及到要害的操作。处
理器支持两种特权级，如表 2.2.1 所示，这也是一个基本的安全模型。

 说明：在 CM3/CM4 运行主应用程序时（线程模式），既可以使用特权级，也可以使用用户级；但是异常服务例程必须在特权级下执行。复位后，处理器默认进入线程模式，特权级访问。在特权级下，程序可以访问所有范围的存储器（如果有 MPU，还要在 MPU 规定的禁地之外），并且可以执行所有指令。

在特权级下的程序可以为所欲为，但也可能会把自己给玩进去——切换到用户级。一旦进入用户级，再想回来就得走“法律程序”了——用户级的程序不能简简单单地试图改写CONTROL 寄存器就回到特权级， 事实上，从用户级到特权级的唯一途径就是异常：如果在程序执行过程中触发了一个异常，处理器总是先切换入特权级，并且在异常服务例程执行完毕退出时，返回先前的状态。