ARM Cortex -M 体系结构————————ARM微控制器与嵌入式系统（清华大学慕课记录）

ARM的发展过程

对于ARM公司来讲，ARM公司只做CPU设计，采用出售IP的方式运营，半导体产商无需自己设计CPU，是生产关系的革命，提高了生产力。下面这张图ARM核的多个系列，我们可以看到ARM从V7核开始，就分为了A,R和M三个系列，分别对应高端的多媒体计算，中间的实时性系统以及低端的微控制器，而为控制器对应着我们学习的这个领域，Cortex-M系列的来讲，它保持了高度的兼容性。

32位 ARM Cortex M位单片机寄存器组

在数据和地址的通用寄存器角度，ARM Cortex M 系列的单片机都基本上有如下所示的寄存器组，从R0-R15一共16个寄存器构成了单片机的内部寄存器组

从上图可以看到从R0-R12是单片机的通用寄存器组，，R13,R14和R15是特殊功能的寄存器。

• R13是单片机的堆栈指针寄存器：
  它保存的值是一个地址，表征的是单片机中的堆栈空间所被使用掉的空间所在的地址，在这个地址往上就是堆栈还未使用的空间，从这个地址往下就是堆栈已经使用掉的空间。
• R14是单片机的连接寄存器：
  它所保存的也是一个地址，所表征的是当程序发生一次函数嵌套调用时，用于保存子函数的返回地址，这样的机制使得当函数发生一次嵌套调用时，不必将函数的返回地址进行压栈，加快了程序运行的效率
• R15是单片机的程序计数器
  程序计数器又被称为单片机的PC指针寄存器，在分析CPU的运行机制的时候，我们知道，PC指针寄存器是用来保存待执行指令的地址的，也就是指令中即将运行的下一条指令的地址。

特殊功能寄存器

对于通用计算机CPU模型的时候，会存在一个状态寄存器，来保存CPU在运算时的得0，得1，溢出的这些状态。另外，对于CPU来讲，我们还需要有一些设置的功能，对于通常的8位或者16位CPU来讲，通常都会把设置的这个功能合在一个寄存器里，包括开关中断，包括运算状态，而在ARM的体系结构里，ARM把刚刚所述的归总在下图所示的5个寄存器中，图中最上面的xPSR是用来保存CPU设置状态的，第二个PRIMASK是用来设置中断的开和关的，它是一个中断开关，最下面的CONTROL寄存器，它只有1-2个bit可以使用，是用来设置CPU的实际工作模式和状态的。第三个寄存器FAULTMASK的功能是用来配置不可屏蔽中断的开和关，BASEPRI寄存器具备按优先级关闭中断的功能。

上图所示的寄存器在ARM Cortex M系列是一致兼容的，主要的区别在于对ARM Cortex M3和 ARM Cortex M3的单片机来讲，FAULTMASK和BASEPRI两个寄存器是可以使用的，但是对于M0的核是没有的。

xPSR寄存器

xPSR是一个32位的寄存器，每一位都有特定的功能，便于程序员对其进行访问，并获得CPU此刻的状态。为了编程的方便，这个寄存器有三个别名，分别是APSR,IPSR,EPSR.我们用三个别名来加以访问的时候，只关注和读取其中特定的字段来实现单一的功能。

APSR(应用程序状态寄存器)

当我们使用APSR来访问这个寄存器的时候，读到的主要是高四位的值，后面如图所示是Reserve的。那么这高四位的值入如所示，存的分别是：
N:是否有得0
Z:是否有负数
C:是否有借位进位
Q:是否有溢出
这些位随着指令的运行会被CPU自动的更新，而又可能被后续的指令拿来作为程序判断和跳转的依据。

IPSR（中断程序状态寄存器）

从图中可以看到他的高位是Reserve的，我们主要读到的是后面的这几位，这几位保留的是当发生中断的时候，发生异常的时候，这个中断的中断号。

EPSR(可执行程序状态寄存器)

这一位能读的只是T这一位，来记录单片机是否发生了异常或者是否发生了中断。

PRIMASK寄存器

由图中可以看到，这是一个只有一位可读的寄存器，当他置1时，就关闭掉了所有的可屏蔽的异常，换句话说，他能够控制所有中断的使能或者关闭，是中断的总开关。

CONTROL 寄存器

这个寄存器有两个比特可以使用，分别是nPRIV和SPSEL,对于nPRIV来说，它决定了CPU是工作在用户态还是特权态，在M0和M0+这两种核上，CPU是不支持这两种状态的。对于SPSEL来说，它的功能是规定了单片机所使用的堆栈是主堆栈还是进程堆栈。对于主对栈指针和进程堆栈指针来说，当我们不使用操作系统的时候，它只有一个，当我们使用操作系统的时候，堆栈指针就出现主堆栈指针和进程堆栈指针，他们分别指向内存的两个不同的区域，因此这两个区域一个给我们的操作系统的内核来使用，一个区域给用户程序来使用，也就是任务来使用，这样当任务跑飞的时候，对堆栈使用出现问题的时候，不会使得整个操作系统崩溃。

CPU的工作状态

上图表示了CPU的工作状态，对于M0 和M0+的CPU来讲，它的工作模式只有图中左边的那一列。

线程模式

它工作在跑普通的程序，我们称是程序的线程模式，也就是说，当单片机在跑我们所写的main函数或者是main函数所调用的子函数的时候，我们认为是工作在线程模式之下的。

handler模式

handler它对应的是当它发生中断的时候，去响应中断的那个状态

特权级和用户级

当使用的是M3或者M4的CPU的时候，为了考虑实时操作系统的使用，考虑到实时操作系统内核和用户程序的区分，因此出现了用户态和特权态。用户态就是操作系统的事件运行所在的状态，而特权态就是运行操作系统内核时单片机所处的状态，而这种特权态到用户态，用户态到特权态的这种跳转，需要一次特殊的中断调用才能得以实现。

不同内核之间的指令集的差异

从图中我们可以看到最中间的绿色的指令集是ARM Cortex M0和M1的指令集，蓝色的区域是ARM Cortex M3的指令，紫色的是ARM Cortex M4的指令集，粉色的是ARM Cortex M4F的指令集，我们可以看到这些指令集是向下兼容的。

ARM架构单片机运行详细例子

例子中涉及到的汇编指令：

• NOP:不做任何操作，不做任何事
• MOVS:移动数据，更新APSR寄存器
• PUSH:将寄存器中的数据压入堆栈
• POP:将数据从堆栈中弹出并放入寄存器
• BL:跳转到子函数，跟新LR寄存器
• BX:从子函数中返回

要执行的指令

第一步运行

蓝色箭头指向的是当前已经执行完了的指令，经过这条指令，NOP，什么也没做，但是相应的PC指针要发生一定的变化，PC指针代表的是指令中即将运行的下一条指令的地址。因此涉及到的变量变化为：
SP = 0x20002ff8
PC = 0x00000804
r4 = xx
r5 = xx
LR = xx
内存空间的变化如下图所示：

第二步运行

这条指令的意思是将18这个十进制数放入r4寄存器中，执行这条指令之后，所涉及的相关变量有了如下变化：
SP = 0x2000 2ff8
PC = 0x0000 0806
r4 = 0x0000 0012(12是十进制18的十六进制转换)
r5 = xx
LR = xx

第三步运行

这条指令的意思是将十进制52复制给r5这个寄存器，指令执行完毕后设计的相关变量变化如下：
SP = 0x2000 2ff8
PC = 0x0000 0808
r4 = 0x0000 0012
r5 = 0x0000 0034（十进制的52）
对应的内存空间没有发生改变。

第四步运行

这条语句的意思是将r4寄存器的值进行压栈，执行这个操作后涉及的变量发生了如下的变化：
SP = 0x2000 2ff4
PC = 0x0000 080a
r4 = 0x0000 0012
r5 = 0x0000 0034
LR = xx
我们可以看到SP指针的值由于堆栈有新值得压入而减小了4个字节的大小，对应的内存空间发生了如下的变化:

第五步运行

将r5寄存器的值压入堆栈，相应涉及到的变量发生了如下的变化：
SP = 0x2000 2ff0
PC = 0x0000 080c
r4 = 0x0000 0012
r5 = 0x0000 0034
LR = xx
从上述变化的值我们可以看到因为r5寄存器值压入堆栈，从而导致了堆栈寄存器的值又减少了4，对应的内存空间变化如下：

第六步运行

第六条指令的意思是跳转到子函数的执行，执行这条指令后，涉及到的变量变化为：
SP = 0x2000 2ff0
PC = 0x0000 0814
r4 = 0x0000 0012
r5 = 0x0000 0811
LR = 0x0000 0811
上述变量的变化，我们可以看到PC指针指向了子函数的第一条指令的地址，相对应的堆栈指针的值没有发生变化，这是因为在ARM32位处理器架构上，当函数发生一级调用的时候，函数的返回地址并不进行压栈，而是将返回地址保存在LR寄存器上，也就是R14寄存器上。因此LR的值发生改变，但是改变的值却是0x0000 0811,但是对于ARM32位的处理器来说，它的地址全是偶数，这是因为ARM 指令的一个向下兼容性，当这个保存的返回地址的最低位是1的时候，函数跳转和任何函数返回的时候，CPU仍然工作在Thumb指令集状态下，而如果变成了0就告诉CPU在返回的时候应该切换到ARM指令集的模式，因为现在使用的是ARM Cortex M的系列，所以函数返回的时候，自动的把最低位置为1，而在返回的时候，这一位被忽略，只取它偶数的部分作为我们的返回地址，存的信息是0811，实际的信息是返回Thumb模式，回到0x0000 0810 这个地址。

第七步运行

这条指令的作用是什么也没干，涉及到的相关变量发生了如下的变化：
SP = 0x2000 2ff0
PC = 0x0000 0816
r4 = 0x0000 0012
r5 = 0x0000 0034
LR = 0x0000 0811
可以看到上述寄存器中，发生变化的寄存器是PC指针寄存器，寄存器的值变为了子函数的下一条指令。
对应的内存空间没有发生变化。

第八步运行

这条指令的意思是从子函数中返回，并把LR寄存器中的值赋值给PC指针，因此涉及到的变量发生了如下的变化：
SP = 0x2000 2ff0
PC = 0x0000 0810
r4 = 0x0000 0012
r5 = 0x0000 0034
LR = 0x0000 0811
可以看到此时PC指针的值就是之前放入LR寄存器中的值（去除末尾的1）.
对应的内存空间没有发生变化。

第九步运行

上述的指令的意思是从堆栈中弹出一个数并赋值给r4寄存器，经过这条指令后，涉及到的相关变量发生了如下的变化：
SP = 0x2000 2ff4
PC = 0x0000 0812
r4 = 0x0000 0034
r5 = 0x0000 0034
LR = 0x0000 0811
首先因为堆栈中的数据被弹出，因此堆栈指针要加4，指令运行结束，PC指针的值也要进行更新，而刚才的指令是把堆栈中的值弹出来赋值给r4寄存器，因此r4寄存器的值也进行了更新。
相应的内存空间发生了如下的变化：

第十步运行

在这一步指令的作用是堆栈中弹出一个值然后赋值给r5寄存器，所涉及到的变量变化分别为：
SP = 0x2000 2ff0
PC = 0x0000 0814
r4 = 0x0000 0034
r5 = 0x0000 0012
LR = 0x0000 0811
由此可知，当执行最后一条指令时，堆栈中的数据被弹出赋值给r5，PC指针寄存器的值发生变化，SP指针的值加4，对应的内存空间如下图所示：

总结

回顾上面的十个过程，我们会发现，指令运行结束之后，r4和r5寄存器的值发生了调换，发生调换的原因是因为我们使用了堆栈这样的一种机制，堆栈的特性是先入后出的，因此最开始把r4和r5寄存器的值依次压入堆栈，取的时候的顺序和压入堆栈的顺序却是刚好相反的，因此也就造成了最终的r4和r5寄存器的值发生了调换。