ARMV8-M学习笔记-入门

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说明:
本文总结的仅限于armv8-M架构，实现main extension，支持Trustzone

1、简介

Cortex-M 处理器系列基于 M-Profile 架构，可为深度嵌入式系统提供低延迟和高度确定性的操作。我们最新一代的 Cortex-M 处理器是 Cortex-M55。Cortex-M55 是第一款基于 Armv8.1-M 架构的处理器，采用向量处理扩展 Arm Helium 技术。Cortex-M55 为下一代小型嵌入式设备（包括可穿戴设备、智能扬声器等）带来更高水平的机器学习和信号处理性能。

Cortex-M 处理器旨在支持微控制器市场

• 基于 RISC 架构，大多数指令在单个周期内执行
• 编程更简单——整个应用程序都可以用 C 语言编程
• 所需的功能比Cortex-A少

其他 ARM 内核的寄存器和 ISA变化

• 使用的是Thumb指令，不支持 ARM 指令集(即不支持A32，不支持A64)
• 通用寄存器仅仅SP是banked
• 两种操作模式：Thread模式和Handler模式

不同的模式和异常模型

• 只有两种执行模式：Thread 和 Handler 模式
• 向量表由地址组成，不包含指令
• 异常自动将状态（R0-R3、R12、LR、ReturnAddress、RETPSR）保存在堆栈上

不同的系统控制/内存布局

• 内核有一个固定的内存映射
• 无协处理器 C15 – 通过内存映射控制寄存器控制 (MRS,MSR)

ARMv8-M 是 32 位加载/存储架构

• 唯一允许的内存访问是加载和存储
• 大多数内部寄存器都是 32 位宽

编程模型
两种模式: Thread mode 和 Handler mode
在Thread mode下又有2个执行级别: privileged 和 Unprivileged

2、寄存器

2.1 寄存器的总结

2.1.1、通用寄存器，所有的都是32位:

• R0-R12 (Rn).
• R13 堆栈寄存器 (SP).
• R14 链接寄存器 (LR).
• R15 程序计数器 (PC)

2.1.2、特殊寄存器:

• 掩码(MASK)寄存器:
  (1)、异常掩码寄存器:PRIMASK
  (2)、优先级掩码寄存器:BASEPRI.
  (3)、错误掩码寄存器:FAULTMASK

• 控制寄存器：CONTROL

• 2个栈指针限制寄存器：MSPLIM 和 PSPLIM

• 程序状态寄存器:Program Status Register (XPSR), 包含:
  (1)、Application Program Status Register (APSR).
  (2)、Interrupt Program Status Register (IPSR).
  (3)、Execution Program Status Register (EPSR)

2.1.3、Memory-mapped寄存器

除此之外，还有一些memory-mapped的寄存器

2.2 、XPSR, APSR, IPSR, and EPSR的介绍

msr、mrs 可以分段访问这些寄存器

2.2.1 、Interrupt Program Status Register (IPSR)

• 当PE在Thread模式时, IPSR值是0
• 当PE在Handler模式时，
  (1) 当一个异常进入是IPSR 保存着正在处理的异常的异常号
  (2) 当Secure state到Non-secure state 调用时，IPSR值是1
• 使用MRS指令强行修改IPSR, 不会生效的

2.2.2 、Execution Program Status Register (EPSR)

主要是EPSR.T 比特位

• 0 - 任何指令都将产生 INVSTATE错误 或 HardFault
• 指令集使用T32

2.3、CONTROL寄存器

• 仅仅Privileged execution状态可以写控制寄存器，Privileged和unPrivileged状态都可以读控制寄存器。
• 该体系结构需要一个Context同步事件来保证对CONTROL寄存器更改的可见性
• 当一个异常进入或者退出时，硬件会自动修改CONTROL.SPSEL, 当PE在Thread mode时CONTROL.SPSEL可用于选择栈指针

4、指令集ISA

所有 Cortex-M 处理器都支持称为 Thumb 的指令集。 当 Thumb-2 技术可用时，完整的 Thumb 指令集在扩展时变得相当大。 但是，不同的 Cortex-M 处理器支持 Thumb ISA 中可用的不同指令子集，如下图所示：

4、安全状态

• 如果实施了安全扩展，则标记为安全的内存区域和其他关键资源只有在 PE 以安全状态执行时才能访问
• 如果实施了安全扩展， 则在 Cold reset 和 Warm reset时，PE将进入Secure状态
• 如果实施了安全扩展， 则在 Cold reset 和 Warm reset时，PE将进入NON-Secure状态

实施了安全扩展后，下列寄存器都是banked by security：

• 通用寄存器中的R13(SP)
• 特殊寄存器中的 : MASK寄存器(PRIMASK, BASEPRI, FAULTMASK)、CONTROL 寄存器、栈指针限制寄存器(MSPLIM ,PSPLIM)
• System Control Space (SCS)

MRS 和MSR指令编码中的bit[7]表示操作的是哪组寄存器(Secure or NON-Secure)

cortex-A Trustzone 和 cortex-M Trustzone的对比：

在cortex-M上，双系统的切换，使用的是 Secure Gateway (SG) 指令，但只允许在特殊的memory上调用SG，即使NSC(non-secure callable)

5、异常号和异常优先级

cortex-M中内置一个Nested Vectored Interrupt Controller (NVIC) 中断控制器

cortex-M的异常和中断具有以下优先级

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