《Cortex-M0權威指南》之體系結構---系統模型

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Cortex-M0體系結構包括：系統模型、存儲器映射、異常中斷。這篇文章主要講解Cortex-M0的系統模型。

 

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操做模式和狀態

如上圖所示，Cortex-M0包括兩種操做模式和兩種狀態

• Thumb狀態（Thumb state）

1. 處理模式
2. 線程模式

• 調試狀態

　　處理器啓動後處於Thumb狀態，在這種狀態下，處理器能夠處於線程模式和處理模式，線程模式時執行普通代碼，處理模式時執行異常處理。線程模式和處理模式的系統模型幾乎如出一轍，惟一的不一樣在於線程模式經過配置CONTROL特殊寄存器，可使用進程指針。

　　調試狀態僅用於調試操做，暫停處理器內核後，執行不會再執行。在這種狀態下，調試器能夠讀取甚至改變內核寄存器的值。

　　處理器上電後默認處於Thumb狀態的線程模式，執行普通代碼。

 

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寄存器和特殊寄存器

　　

　　數據的解析和控制器的處理過程當中，須要處理器內核寄存器的參與。若是須要處理控制器中的數據，這些數據須要先加載處處理器內核的寄存器（寄存器組中的摸個），處理完成後，若是有需必要，它們還會被送到存儲器中，這種方式被稱爲「加載-存儲架構」（load-store architecture）。

　　Cortex-M0有13個32位通用寄存器R0-R12，以及多個特殊寄存器。

　　寄存器組包含16個32位寄存器，其中13個時通用的，其他三個具備特殊用途。

 

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R0-R12 通用寄存器

　　R0-R12爲32位通用寄存器，因爲16位thumb指令集在空間上的限制，許多Thumb指令只能操做R0-R7，它們被稱爲低寄存器，而想MOV之類的一些指令則可使用所有的寄存器。R0-R12寄存器的初始化值未定義。

 

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R13,棧指針（SP）

　　R13爲棧指針，對棧空間進行存取操做（經過PUSH和POP指令），Cortex-M0在不一樣的物理地址上有兩個棧指針，一個爲主棧指針（MSP），也被稱爲SP_main，一個指針稱爲進程棧指針（PSP），也爲稱爲SP_process，只能用在線程模式。能夠經過CONTROL寄存器，選擇使用那個棧指針。

　　在ARM處理器中，因爲寄存器是32位的，因此PUSH和POP指令永遠是32位操做，並且存取地址是32位字對齊（32位對齊）。在處理器上電過程當中，中斷向量表的頭4字節會被去除（中斷向量表在0x000000000地址），而後填充到MSP，做爲MSP的初始值，PSP的初始值爲定義。

　　通常使用操做系統是PSP進程棧指針纔會被使用，這是由於操做系統內核的棧空間和線程級的應用程序的棧空間是相互獨立的。

 

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R14，連接寄存器（LR）

　　R14爲連接寄存器，用於存儲子程序或者函數調用的返回地址。子程序或者函數執行完畢，存儲在LR中的返回地址將被裝在到程序計數器PC中，以便調用程序能夠繼續執行。當發生異常中斷時，LR會提供一個特定值，用於中斷返回機制。

　　儘管Cortex-M0處理器的函數返回地址始終時偶數（最低位爲0，由於最小的指令都是16位的），LR的0位時可讀寫的。爲了指明當前處於thumb狀態，一些指令須要函數地址最低位爲1。

 

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R15，程序計數器（PC）

　　R15爲程序計數器，爲可讀寫。讀操做返回當前正在執行的指令加上4（這是由流水線的特性決定的），而寫入R15會致使程序跳轉執行，這和函數調用不一樣，連接寄存器不會更新。

　　Cortex-M0處理器指令是16位對齊的，因此PC寄存器的最低位必須始終爲0.不過在使用跳轉指令BX或者BLX執行跳轉執行時，PC的最低位應該被置1，以代表目標分支處於thumb程序區域。若是試圖切換到Cortex-M0未知的ARM狀態，錯誤異常中斷會被觸發。

 

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xPSR，組合程序狀態寄存器

　　　　　　　　　　　　xPSR寄存器

　　　　　　　　　　　　xPSR寄存器

　　組合程序狀態寄存器提供了程序執行信息和ALU（算數邏輯單元）標誌，改寄存器由三個程序狀態寄存器（PSR）組成，如上圖：

• 應用程序狀態寄存器（APSR）
• 中斷程序狀態寄存器（IPSR）
• 執行程序狀態寄存器（EPSR）

應用程序狀態寄存器

　　APSR包含了ALU算數邏輯單元標誌，位於xPSR最高4位，通常用於控制程序跳轉：

• N表示負號標誌
• Z表示零標誌
• C表示進位或借位標誌
• V表示溢出標誌

中斷程序狀態寄存器

　　IPSR包含了當前正在執行的中斷服務程序（ISR）編號，Cortex-M0的每一個異常中斷都會由一個特定的中斷編號（表示中斷類型）。這對調試時識別當前的中斷很是有用，並且在多箇中斷共用一箇中斷處理的狀況下，能夠看出放生的時哪一個中斷。

執行程序狀態寄存器

　　EPSR包含了T位，該位用來表示當前是否處於Thumb狀態。因爲Cortex-M0處理器只支持Thumb狀態，因此T位通常爲1.清除該位（置零）後，執行嚇一跳置零會觸發硬件異常中斷。

 

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PRIMASK，中斷屏蔽特殊寄存器

 

　　PRIMASK僅有一位位寬，置位後，除了不可屏蔽中斷（NMI）和硬件錯誤異常外的其餘中斷都會被屏蔽。實際上，此時當前中斷優先級被置爲0，也就是最高等級。

　　要訪問PRIMASK寄存器，能夠經過特殊寄存器操做置零(MSR和MRS)，也可使用「改變處理器狀態」置零（CPS）。在處理器對事件敏感的應用時，須要操做PRIMASK寄存器。

 

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CONTROL，特殊寄存器

 

 

　　前面已經提到，Cortex-M0處理器具備兩個棧指針。處理器模式決定了使用的棧指針，而處理器模式以來與CONTROL寄存器的配置。

 　　復位之後，系統默認使用主棧指針，在線程模式下，經過配置CONTROL寄存器的第一位置1，處理器能夠切換至使用進程棧指針（前提是當前不是處在異常中斷處理中）。在處理異常中斷時（運行在處理模式下），系統只能使用主棧指針，CONTROL寄存器讀出的值爲0。要改變CONTROL寄存器的值，應該在線程模式下進行操做，或者藉助異常中斷進入和返回機制。

　　爲了兼容Cortex-M3，CONTROL寄存器的0位保留。在Cortex-M3中，第0位用於將處理器切換至用戶模式，這個特性在M0中沒有。