嵌入式系统（二）：ARM芯片及体系架构（下）

4．操作模式和特权级别

Cortex-M3处理器支持两种处理器的操作模式，还支持两级特权操作。两种操作模式分别为：处理者模式(handler mode)和线程模式（thread mode）。两级特权操作分别为：特权级和用户级（非特权级）

（1）特权访问与用户访问（非特权访问）

特权执行可以访问所有资源。
非特权执行时对有些资源的访问受到限制或不允许访问。如部分指令的使用 (设置FAULTMASK和PRIMASK的CPS指令 )对系统控制空间（SCS）的大部分寄存器的访问。

（2）线程模式和处理者模式

Cortex-M3处理器支持两种工作模式：线程模式和处理者模式
① 线程模式–可特权可用户
在复位时处理器进入线程模式–准确来说复位之后处理器特权及访问
异常返回时处理器进入线程模式
特权和用户（非特权）代码能够在线程模式下运行
线程模式下用户级访问和特权级访问的转换

② 处理者模式-全特权访问-异常读物

出现异常时处理器进入处理者模式
在处理者模式中，所有代码都是特权访问的

③ Tips
（1）用户可以方便地从特权级切换到用户级，但一旦进入用户级，就不能简单地试图改写控制寄存器就回到特权级，必须先申诉：执行一条系统调用指令SVC。
（2）通过引入特权级和用户级，就能够在硬件水平上限制某些不受信任的或者还没调试好的程序，不让他们随意配置涉及要害的寄存器，因而系统的可靠性得到了提高。

（3）主堆栈和进程堆栈

Cortex-M3内核有两个堆栈指针：MSP(SP_main)和PSP(SP_process)
堆栈指针R13是分组寄存器，在SP_main和SP_process之间切换。在任何时候，进程堆栈和主堆栈中只有一个是可见的。
MSP：由操作系统内核，异常服务例程以及应用程序代码访问-处理者模式只能使用MSP，因为他永远是特权级的。
PSP：用于不处于异常服务例程中的常规的应用程序代码。

控制寄存器用于定义特权级别，还用于选择当前使用哪个堆栈指针。

5．存储器映射

总体来说，Cortex-M3支持4GB存储空间。

内存中有两种格式存储字数据，称之为大端格式和小端格式。

大端格式：字数据的高字节存储在低地址中，而字数据的低字节则存放在高地址中。
小端格式：与大端存储格式相反，低地址中存放的是字数据的低字节，高地址存储存放的是字数据的高字节。

Cortex-M3处理器支持的数据类型有32位字、16位半字和8位字节。Cortex-M3处理器支持非对齐的传送，数据存储器的访问无须对齐。

6．流水线

Cortex-M3处理器使用一个带分支预测的3级流水线，分别是取指、解码和执行。因为带分支预测，跳转指令在译码时就被识别，取指时流水线自动加载跳转后地址的指令。

（1）分支预测功能

到BNE的时候，由于BNE是跳转指令，是否跳转取决于前面CMP指令的结果，由于CMP指令已经译码了，因此就可以预测到底是跳转还是顺序执行，如果跳转那么下一个指令直接就取跳转之后位置的指令，这叫作分支预测。

7．异常和中断

异常：指在正常的程序执行流程中发生暂时的停止并转向相应的处理。既包括系统异常，也包括一些程序中断。

中断：是对Cortex-M3核来说是来自内核的外面，来自各种片上外设或外扩的外设。
系统异常：是因为内核的活动产生的，即在执行指令或访问存储器时产生。

在处理异常前，当前处理器的状态必须保留，这样当异常处理完成后，当前程序继续执行。
处理器允许多个异常同时发生，他们将会按固定的优先级进行处理。

异常类型表：15个系统异常，240个中断源

（1）异常优先级

数值越小说明优先级越高，复位的优先级最高，高优先级的可以抢占低优先级的资源。

（2）Cortex-M3 异常有哪些特点？

自动的状态保存和恢复。处理器在进入异常之前将状态寄存器和部分寄存器自动压栈，退出后自动出栈，不需要多余的指令。
自动读取代码存储器或SRAM中包含地址的向量表入口。该操作与状态保存同时执行。
中断优先级可动态重新设置。
中断数目可配置为1～240。

8．存储器保护单元（MPU）

Cortex-M3有一个可选的存储器保护单元。配上它之后，就可以对特权级访问和用户级访问分别施加不同的访问限制。
当检测到犯规时，MPU会产生一个实现（fault）异常，可以由（fault）异常的服务例程来分析该错误。
最常见的就是由操作系统使用MPU，以使特权级代码的数据，包括操作系统本身的数据不被其他用户程序破坏。