《Cortex-M0權(quán)威指南》之體系結(jié)構(gòu)---系統(tǒng)模型

　　Cortex-M0體系結(jié)構(gòu)包括：系統(tǒng)模型、存儲(chǔ)器映射、異常中斷。這篇文章主要講解Cortex-M0的系統(tǒng)模型。

　　操作模式和狀態(tài)

　　如上圖所示，Cortex-M0包括兩種操作模式和兩種狀態(tài)

　　Thumb狀態(tài)(Thumb state)

　　處理模式

　　線程模式

　　調(diào)試狀態(tài)

　　處理器啟動(dòng)后處于Thumb狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，處理器可以處于線程模式和處理模式，線程模式時(shí)執(zhí)行普通代碼，處理模式時(shí)執(zhí)行異常處理。線程模式和處理模式的系統(tǒng)模型幾乎一模一樣，唯一的不同在于線程模式通過(guò)配置CONTROL特殊寄存器，可以使用進(jìn)程指針。

　　調(diào)試狀態(tài)僅用于調(diào)試操作，暫停處理器內(nèi)核后，執(zhí)行不會(huì)再執(zhí)行。在這種狀態(tài)下，調(diào)試器可以讀取甚至改變內(nèi)核寄存器的值。

　　處理器上電后默認(rèn)處于Thumb狀態(tài)的線程模式，執(zhí)行普通代碼。

　　寄存器和特殊寄存器

　　數(shù)據(jù)的解析和控制器的處理過(guò)程中，需要處理器內(nèi)核寄存器的參與。如果需要處理控制器中的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)需要先加載到處理器內(nèi)核的寄存器(寄存器組中的摸個(gè))，處理完成后，如果有需必要，它們還會(huì)被送到存儲(chǔ)器中，這種方式被稱為“加載-存儲(chǔ)架構(gòu)”(load-store architecture)。

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

　　寄存器組包含16個(gè)32位寄存器，其中13個(gè)時(shí)通用的，其余三個(gè)具有特殊用途。

　　R0-R12 通用寄存器

　　R0-R12為32位通用寄存器，由于16位thumb指令集在空間上的限制，許多Thumb指令只能操作R0-R7，它們被稱為低寄存器，而想MOV之類的一些指令則可以使用全部的寄存器。R0-R12寄存器的初始化值未定義。

　　R13,棧指針(SP)

　　R13為棧指針，對(duì)?？臻g進(jìn)行存取操作(通過(guò)PUSH和POP指令)，Cortex-M0在不同的物理地址上有兩個(gè)棧指針，一個(gè)為主棧指針(MSP)，也被稱為SP_main，一個(gè)指針?lè)Q為進(jìn)程棧指針(PSP)，也為稱為SP_process，只能用在線程模式?？梢酝ㄟ^(guò)CONTROL寄存器，選擇使用那個(gè)棧指針。

　　在ARM處理器中，由于寄存器是32位的，所以PUSH和POP指令永遠(yuǎn)是32位操作，而且存取地址是32位字對(duì)齊(32位對(duì)齊)。在處理器上電過(guò)程中，中斷向量表的頭4字節(jié)會(huì)被去除(中斷向量表在0x000000000地址)，然后填充到MSP，作為MSP的初始值，PSP的初始值為定義。

　　一般使用操作系統(tǒng)是PSP進(jìn)程棧指針才會(huì)被使用，這是因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)內(nèi)核的?？臻g和線程級(jí)的應(yīng)用程序的?？臻g是相互獨(dú)立的。

　　R14，鏈接寄存器(LR)

　　R14為鏈接寄存器，用于存儲(chǔ)子程序或者函數(shù)調(diào)用的返回地址。子程序或者函數(shù)執(zhí)行完畢，存儲(chǔ)在LR中的返回地址將被裝在到程序計(jì)數(shù)器PC中，以便調(diào)用程序可以繼續(xù)執(zhí)行。當(dāng)發(fā)生異常中斷時(shí)，LR會(huì)提供一個(gè)特定值，用于中斷返回機(jī)制。

　　盡管Cortex-M0處理器的函數(shù)返回地址始終時(shí)偶數(shù)(最低位為0，因?yàn)樽钚〉闹噶疃际?6位的)，LR的0位時(shí)可讀寫的。為了指明當(dāng)前處于thumb狀態(tài)，一些指令需要函數(shù)地址最低位為1。

　　R15，程序計(jì)數(shù)器(PC)

　　R15為程序計(jì)數(shù)器，為可讀寫。讀操作返回當(dāng)前正在執(zhí)行的指令加上4(這是由流水線的特性決定的)，而寫入R15會(huì)導(dǎo)致程序跳轉(zhuǎn)執(zhí)行，這和函數(shù)調(diào)用不同，鏈接寄存器不會(huì)更新。

　　Cortex-M0處理器指令是16位對(duì)齊的，所以PC寄存器的最低位必須始終為0.不過(guò)在使用跳轉(zhuǎn)指令BX或者BLX執(zhí)行跳轉(zhuǎn)執(zhí)行時(shí)，PC的最低位應(yīng)該被置1，以表明目標(biāo)分支處于thumb程序區(qū)域。如果試圖切換到Cortex-M0未知的ARM狀態(tài)，錯(cuò)誤異常中斷會(huì)被觸發(fā)。

　　xPSR，組合程序狀態(tài)寄存器

　　xPSR寄存器

　　xPSR寄存器

　　組合程序狀態(tài)寄存器提供了程序執(zhí)行信息和ALU(算數(shù)邏輯單元)標(biāo)志，改寄存器由三個(gè)程序狀態(tài)寄存器(PSR)組成，如上圖：

　　應(yīng)用程序狀態(tài)寄存器(APSR)

　　中斷程序狀態(tài)寄存器(IPSR)

　　執(zhí)行程序狀態(tài)寄存器(EPSR)

　　應(yīng)用程序狀態(tài)寄存器

　　APSR包含了ALU算數(shù)邏輯單元標(biāo)志，位于xPSR最高4位，一般用于控制程序跳轉(zhuǎn)：

　　N表示負(fù)號(hào)標(biāo)志

　　Z表示零標(biāo)志

　　C表示進(jìn)位或借位標(biāo)志

　　V表示溢出標(biāo)志

　　中斷程序狀態(tài)寄存器

　　IPSR包含了當(dāng)前正在執(zhí)行的中斷服務(wù)程序(ISR)編號(hào)，Cortex-M0的每個(gè)異常中斷都會(huì)由一個(gè)特定的中斷編號(hào)(表示中斷類型)。這對(duì)調(diào)試時(shí)識(shí)別當(dāng)前的中斷非常有用，而且在多個(gè)中斷共用一個(gè)中斷處理的情況下，可以看出放生的時(shí)哪個(gè)中斷。

　　執(zhí)行程序狀態(tài)寄存器

　　EPSR包含了T位，該位用來(lái)表示當(dāng)前是否處于Thumb狀態(tài)。由于Cortex-M0處理器只支持Thumb狀態(tài)，所以T位一般為1.清除該位(置零)后，執(zhí)行嚇一跳置零會(huì)觸發(fā)硬件異常中斷。

　　PRIMASK，中斷屏蔽特殊寄存器

　　PRIMASK僅有一位位寬，置位后，除了不可屏蔽中斷(NMI)和硬件錯(cuò)誤異常外的其他中斷都會(huì)被屏蔽。實(shí)際上，此時(shí)當(dāng)前中斷優(yōu)先級(jí)被置為0，也就是最高等級(jí)。

　　要訪問(wèn)PRIMASK寄存器，可以通過(guò)特殊寄存器操作置零(MSR和MRS)，也可以使用“改變處理器狀態(tài)”置零(CPS)。在處理器對(duì)事件敏感的應(yīng)用時(shí)，需要操作PRIMASK寄存器。

　　CONTROL，特殊寄存器

　　前面已經(jīng)提到，Cortex-M0處理器具有兩個(gè)棧指針。處理器模式?jīng)Q定了使用的棧指針，而處理器模式以來(lái)與CONTROL寄存器的配置。

　　復(fù)位以后，系統(tǒng)默認(rèn)使用主棧指針，在線程模式下，通過(guò)配置CONTROL寄存器的第一位置1，處理器可以切換至使用進(jìn)程棧指針(前提是當(dāng)前不是處在異常中斷處理中)。在處理異常中斷時(shí)(運(yùn)行在處理模式下)，系統(tǒng)只能使用主棧指針，CONTROL寄存器讀出的值為0。要改變CONTROL寄存器的值，應(yīng)該在線程模式下進(jìn)行操作，或者借助異常中斷進(jìn)入和返回機(jī)制。

　　為了兼容Cortex-M3，CONTROL寄存器的0位保留。在Cortex-M3中，第0位用于將處理器切換至用戶模式，這個(gè)特性在M0中沒(méi)有。