随着课内的学习,我想把每节课所学记录下来,以作查阅、以饲读者。由于我所上的是英文班课程,因此我将把关键术语的英文给出,甚至有些内容直接使用英文。
本次所介绍内容仍是关于Cortex-M3的基础内容,相对上一篇来说,介绍的内容更加具体和细致了。
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12、寄存器简介
名称(for people) | 助记符 (in code) | 别名 (in code) | 详细介绍 | 备注 | 相关指令 | |
Low Register | R0~R7 | 可以被所有指令使用 包括Thumb指令(16位)和Thumb-2指令(32位) | reset并不置零 | |||
High Register | R8~R12 | 只能被Thumb-2指令(32位)使用 | ||||
Stack Pointer | R13 | MSP (MainSP) | 默认的栈指针,在OS kernel、 中断及Privilege Mode中使用 | 同时只能使用一个 这取决于当前权限 | PUSH POP | |
PSP (ProcessSP) | 在User Mode中使用的栈指针 | |||||
Link Register | R14 | LR | 调用函数之后,返回的地址 | BL func BX LR | ||
Program Counter | R15 | PC | 指向应当执行的指令内存 | PC永远指向 当前指令+4的位置 (详细原理不知) | ||
Special Registers | Program Status Register | PSR | APSR (Application) | 包含5个值(N、Z、C、V、Q), 每个一位,分别对应 PSR[31~27] | PSR剩余位是空的 注意: IPSR、EPSR只读 | MRS MSR 注意: 这两个指令 都无法在 User Mode 中调用 |
IPSR (Interrupt) | 包含3个值(ICI/IT、T、ICI/IT), 分别对应 PSR[26:25]、PSR[24]与PSR[15:10] | |||||
EPSR (Execution) | 包含1个值(Exception Number), 对应 PSR[8:0] | |||||
Interrupt Mask Register | PRIMASK | 1位,设为1则表示: 允许NMI和hard fault,其余中断mask 常在时序调度中用于暂时忽略某些中断 | 默认是0 表示没有mask | |||
FAULTMASK | 1位,设为1则表示: 只允许NMI,其余中断mask(忽略) 常被OS kernel用于清理拥挤的mask队列 | |||||
BASEPRI | 9位,用来设定mask的优先级,设为1则表示: 不高于这个优先级的中断将都被mask 常在时序调度中用于暂时忽略某些中断 | |||||
Control Register | CONTROL | 2位, CONTROL[1] 表示 Stack Status: 0表示使用Default Stack(即MSP), 1则表示使用Alternate Stack(即PSP)。 CONTROL[0] 表示 Privilege Level in Thread mode: 0表示Thread mode处于Privilege Mode下, 1表示Thread mode处于User Mode下。 | 如果在Handler中 那么这两位 都只能为0 |
13、操作模式简介
-> 当处理器reset之后,会默认初始化为Thread mode,权限是Privileged access level。
-> 在User access level(此时必然处于Thread mode)中,无法访问SCS(System Control Space,是Memory中存储配置寄存器和debug相关内容的部分)。
-> 在User access level中,也无法访问Special Registers,一旦尝试访问则会触发Fault exception。
-> 在Privileged access level + Thread mode中,可以利用代码进入User access level中,方式就是把CONTROL[0]设为1。
-> 当一个Exception出现时,处理器会自动切换为Privilege state;而当退出Exception时,则会回到Exception出现之前的状态。(处理器是通过CONTROL[0]的值来判断进入中断之前的权限状态的,而在中断过程中,必然是Privilege mode,根本不看CONTROL[0]也不改)
-> 因此,如果想要从User mode切换为Privilege mode + Thread mode,则应该去调用一个中断,在中断中把CONTROL[0]设为0即可。
14、异常和中断简介
Exception Number | Address Offset | Exception Type | Priority | Function |
0 | 0x00 | 并非中断 | - | Cortex-M3的中断编号是从1开始的,这个位置并非中断,而是用来存储: Starting value of the MSP |
1 | 0x04 | Reset | -3(Highest) | Reset |
2 | 0x08 | NMI | -2 | Non-maskable Interrupt(不可屏蔽中断) |
3 | 0x0C | Hard fault | -1 | 当任何中断陷入disable或者mask时,便会触发Hard fault |
4 | 0x10 | Mem manage | Settable | 当访问无法访问的内存时会触发此中断 |
5 | 0x14 | Bus fault | Settable | 当prefetch的指令被abort(Inst Bus),或者数据获取有误(Data Bus),则会触发 |
6 | 0x18 | Usage fault | Settable | 当遇到了无效的指令或者无效的状态转换(例如想要在Cortex-M3中切换为ARM状态),则会触发 |
7-10 | 0x1C-0x28 | - | - | Reserved |
11 | 0x2C | SVC | Settable | System service call via SVC instruction |
12 | 0x30 | Debug monitor | Settable | - |
13 | 0x34 | - | - | Reserved |
14 | 0x38 | PendSV | Settable | Pendable request for System Service |
15 | 0x3C | SYSTICK | Settable | System Tick Timer |
16-255 | 0x40-0x3FF | IRQ | Settable | IRQ(Interrupt Request中断请求) input #0-239 |
这便是整个中断向量表(IVT,Interrupt Vector Table)的内容了,在内存中的起始地址是0。
另外,PPT中还有一句话,我没看懂,在此存疑,有明白的同学望请解答!原文如下:
The base address of the vector table is re-locatable (set the relocation register in the NVIC); initially, the base address is 0x0. |
15、指令集标识位
在Cortex-M3中只有Thumb指令集,而并非所有ARM处理器都只有Thumb指令集。因此,ARM处理器中,用PC[0]来标识所指指令类型。原因很简单,指令只有16位和32位两种,也就是2个或者4个字节,因此PC[0]永远是0(实际上PC[1]或许也永远是0,这个存疑,了解的同学希望能够解答我的疑惑)。那么,ARM中也就干脆不去看PC[0],用它来标识指令类型了。
因此,我们在Cortex-M3中应当永远将PC[0]设为1,这表示指令是Thumb指令;而一旦设为0,则表示所指为ARM指令,便会触发Usage fault(具体见上表)。
16、Stack(栈)以及Reset简介
-> 选用哪个栈,是根据权限自动选择的,具体见第12点“寄存器简介”中对R13的介绍。
不过,能不能手动选择,我有些记不得了,在此存疑。
-> Reset之后,处理器会从Memory中读取两个内容:
Address 0:default value of R13(MSP)
Address 4:Reset vector(the starting address of startup program)
原本打算给出PPT中的图片,但是Linux系统升级出了点bug,无法保存图片,等回来能抓出来了再补上。
17、指令简介
这里仅仅对几个上文提及的指令进行详细解释
指令写法 | 用法与详解 | 代码实例 | 备注 |
MSR <special_reg>, <reg> | Write to special register | MSR R0, CONTROL | 对Special Register的读写 只能通过register,不能通过Memory 而且,这两个指令 只有Privilege权限下可以使用 |
MRS <reg>, <special_reg> | Read special register | MRS CONTROL, R0 | |
PUSH {reglist} | Push the largest numbered register first | PUSH {R0-R7, LR} | PUSH、POP所使用的是SP 例句中注意,PC[0]必须得是1 |
POP {reglist} | Pop the lowest numbered register first | POP {R0-R7, PC} |
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至此,关于Cortex-M3的基础介绍完毕。下一篇,将从Memory开始详细学习。