《Cortex-M0權威指南》之體系結構---系統模型

　　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。

　　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(xiàn)程模式

　　調試狀態(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(xiàn)程模式和處理模式，線(xiàn)程模式時(shí)執行普通代碼，處理模式時(shí)執行異常處理。線(xiàn)程模式和處理模式的系統模型幾乎一模一樣，唯一的不同在于線(xiàn)程模式通過(guò)配置CONTROL特殊寄存器，可以使用進(jìn)程指針。

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

　　處理器上電后默認處于Thumb狀態(tài)的線(xiàn)程模式，執行普通代碼。

　　寄存器和特殊寄存器

　　數據的解析和控制器的處理過(guò)程中，需要處理器內核寄存器的參與。如果需要處理控制器中的數據，這些數據需要先加載到處理器內核的寄存器(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 )被送到存儲器中，這種方式被稱(chēng)為“加載-存儲架構”(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(chēng)為低寄存器，而想MOV之類(lèi)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?？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(chēng)為SP_main，一個(gè)指針?lè )Q為進(jìn)程棧指針(PSP)，也為稱(chēng)為SP_process，只能用在線(xiàn)程模式?？梢酝ㄟ^(guò)CONTROL寄存器，選擇使用那個(gè)棧指針。

　　在A(yíng)RM處理器中，由于寄存器是32位的，所以PUSH和POP指令永遠是32位操作，而且存取地址是32位字對齊(32位對齊)。在處理器上電過(guò)程中，中斷向量表的頭4字節會(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。

　　一般使用操作系統是PSP進(jìn)程棧指針才會(huì )被使用，這是因為操作系統內核的?？臻g和線(xiàn)程級的應用程序的?？臻g是相互獨立的。

　　R14，鏈接寄存器(LR)

　　R14為鏈接寄存器，用于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，以便調用程序可以繼續執行。當發(fā)生異常中斷時(shí)，LR會(huì )提供一個(gè)特定值，用于中斷返回機制。

　　盡管Cortex-M0處理器的函數返回地址始終時(shí)偶數(最低位為0，因為最小的指令都是16位的)，LR的0位時(shí)可讀寫(xiě)的。為了指明當前處于thumb狀態(tài)，一些指令需要函數地址最低位為1。

　　R15，程序計數器(PC)

　　R15為程序計數器，為可讀寫(xiě)。讀操作返回當前正在執行的指令加上4(這是由流水線(xiàn)的特性決定的)，而寫(xiě)入R15會(huì )導致程序跳轉執行，這和函數調用不同，鏈接寄存器不會(huì )更新。

　　Cortex-M0處理器指令是16位對齊的，所以PC寄存器的最低位必須始終為0.不過(guò)在使用跳轉指令BX或者BLX執行跳轉執行時(shí)，PC的最低位應該被置1，以表明目標分支處于thumb程序區域。如果試圖切換到Cortex-M0未知的ARM狀態(tài)，錯誤異常中斷會(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行信息和ALU(算數邏輯單元)標志，改寄存器由三個(gè)程序狀態(tài)寄存器(PSR)組成，如上圖：

　　應用程序狀態(tài)寄存器(APSR)

　　中斷程序狀態(tài)寄存器(IPSR)

　　執行程序狀態(tài)寄存器(EPSR)

　　應用程序狀態(tài)寄存器

　　APSR包含了ALU算數邏輯單元標志，位于xPSR最高4位，一般用于控制程序跳轉：

　　N表示負號標志

　　Z表示零標志

　　C表示進(jìn)位或借位標志

　　V表示溢出標志

　　中斷程序狀態(tài)寄存器

　　IPSR包含了當前正在執行的中斷服務(wù)程序(ISR)編號，Cortex-M0的每個(gè)異常中斷都會(huì )由一個(gè)特定的中斷編號(表示中斷類(lèi)型)。這對調試時(shí)識別當前的中斷非常有用，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。

　　執行程序狀態(tài)寄存器

　　EPSR包含了T位，該位用來(lái)表示當前是否處于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)和硬件錯誤異常外的其他中斷都會(huì )被屏蔽。實(shí)際上，此時(shí)當前中斷優(yōu)先級被置為0，也就是最高等級。

　　要訪(fǎng)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)。在處理器對事件敏感的應用時(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。

　　復位以后，系統默認使用主棧指針，在線(xiàn)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(前提是當前不是處在異常中斷處理中)。在處理異常中斷時(shí)(運行在處理模式下)，系統只能使用主棧指針，CONTROL寄存器讀出的值為0。要改變CONTROL寄存器的值，應該在線(xiàn)程模式下進(jìn)行操作，或者借助異常中斷進(jìn)入和返回機制。

　　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(hù)模式，這個(gè)特性在M0中沒(méi)有。